Approcci sperimentali e numerici per l'integrità strutturale di componenti carbo-ceramici

The study of ceramic matrix composites for high-technology application is an area of great interest in the field of innovative materials. This thesis has been directed to the experimental investigation and development of new approaches to assess the structural integrity of components used for the production of high performance braking systems. The research is part of a broader partnership between the Department of Science and Technology Aerospace and Brembo Ceramic Brake System. In this activity numerical models of CMC material have been develpoed to the meso-scale level. This allowed to identify the elastic properties and the strength characteristics of the material in the presence of uniform stress states. However, determining the failure of a notched component in operating conditions (with high thermo-mechanical gradients) is very complex, even using sophisticated numerical models that reproduce the material at the meso-scale level. The attention has been given to that group of theories which go under the name of "Theory of Critical Distances" which plans to determine the failure of the component when a reference value, averaged over a characteristic volume, reaches the critical value at failure. This volume is associated with a typical length of the material, linked to the dimensions within the process of breaking completely develops. The thesis work has therefore focused on the implementation of a campaign of experimental tests aimed to validating the available numerical models (both homogenized and mesoscale) and on the determination of the characteristic length of the material, with the aim to check the applicability of the theory presented . The results of the experimental tests have also revealed a measure of toughness, so far never made. The characterization of toughness was carried out successfully applying experimental methods already used for homogeneous materials. The techniques applied for the detection of propagation lengths of the fractures and for data reduction allowed to obtain reliable data of fracture toughness. Tests allowed also to apply to the TCD to two types of material, produced with different constituent materials and different technological processes, demonstrating the applicability on the homogenized models. In the end, mesoscale models were used to assess the possibility of developing failure criteria that consider the local distribution of the reinforcing fibers, averaging the variables of interest on characteristic volumes associated with L. Results obtained in this area show the need to evaluate the values of the average effort on very high volumes, to achieve criteria that may be considered applicable in different cases.

Lo studio di compositi a matrice ceramica per applicazioni di alta tecnologia ha rappresentato uno dei settori di punta della ricerca nel campo dei materiali innovativi. Questo lavoro di tesi è stato indirizzato all’indagine sperimentale e allo sviluppo di nuovi approcci per valutare l’integrità strutturale di componenti utilizzati per la produzione di sistemi frenanti ad alte prestazioni (CCM della Brembo Ceramic Brake Systems SpA e CCB della SGL Carbo Ceramics Brake). Determinare il cedimento di un componente intagliato in condizioni operative (con forti gradienti termo-meccanici) risulta molto complesso, anche avendo a disposizione raffinati modelli numerici che modellano il materiale a livello della meso-scala. L’attenzione è stata rivolta a quel gruppo di teorie che vanno sotto il nome di “Teoria delle Distanze Critiche” che prevedono di determinare la rottura del componente quando una grandezza di riferimento, mediata su volume caratteristico, raggiunge il valore critico a rottura. Tale volume è associato a una lunghezza tipica del materiale, indicativa delle dimensioni entro cui si sviluppa completamente il processo di rottura. Il lavoro di tesi si è quindi incentrato sulla validazione dei modelli numerici a disposizione (modelli omogenizzati e in mesoscala) e sulla determinazione della lunghezza caratteristica del materiale, con lo scopo di verficare l’applicabilità della teoria presentata. I risultati delle prove sperimentali hanno anche permesso di risalire a una misura della tenacità, fino ad oggi mai effettuata. Lo studio di compositi a matrice ceramica per applicazioni ad alta tecnologia rappresenta un settore di grande interesse nel campo dei materiali innovativi. Questo lavoro di tesi è stato indirizzato all’indagine sperimentale e allo sviluppo di nuovi approcci per valutare l’integrità strutturale di componenti utilizzati per la produzione di sistemi frenanti ad alte prestazioni. L’attività di ricerca si inserisce in una più ampia collaborazione fra il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali e Brembo Ceramic Brake System. In tale attività sono stati messi a punto sia modelli omogenei equivalenti che modelli al livello della meso-scala del materiale carbo-ceramico rinforzato con fibre corte, con il quale sono realizzati i dischi frenanti. Questi hanno permesso di identificare le proprietà elastiche e le caratteristiche di resistenza del materiale in presenza di stati di sforzo uniformi. Tuttavia, determinare il cedimento di un componente intagliato in condizioni operative (con forti gradienti termo-meccanici) risulta molto complesso, anche avendo a disposizione raffinati modelli numerici che modellano il materiale a livello della meso-scala. L’attenzione è stata rivolta a quel gruppo di teorie che vanno sotto il nome di “Teoria delle Distanze Critiche” che prevedono di determinare la rottura del componente quando una grandezza di riferimento, mediata su volume caratteristico, raggiunge il valore critico a rottura. Tale volume è associato a una lunghezza tipica del materiale, indicativa delle dimensioni entro cui si sviluppa completamente il processo di rottura. Il lavoro di tesi si è quindi incentrato sulla realizzazione di una campagna di prove sperimentali volta a validare i modelli numerici a disposizione (omogenizzati e in mesoscala) e sulla determinazione della lunghezza caratteristica del materiale, con lo scopo di verficare l’applicabilità della teoria presentata. I risultati delle prove sperimentali hanno anche permesso di risalire a una misura della tenacità, fino ad oggi mai effettuata. La caratterizzazione della tenacità è stata effettuata applicando con successo metodologie sperimentali già utilizzate per materiali omogenei. Le tecniche applicate per l’individuazione delle lunghezze di propagazione delle fratture e per l’elaborazione dei dati hanno consentito di ricavare dati affidabili di tenacità a frattura. Le prove hanno consentito di applicare a due tipologie di materiale, prodotte con materiali costituenti diversi e processi tecnologici diversi, la teoria delle distanze critiche, dimostrando l’applicabilità sui modelli omogenei del materiale. Infine, nell’ultima parte del lavoro di tesi, i modelliI modelli in mesoscala sono stati utilizzati per valutare la possibilità di sviluppare cirteri di cedimento che considerino la distribuzione locale delle fibre di rinforzo, mediando le grandezze d’interesse su volumi caratteristici associati ad L. I risultati ottenuti in questo ambito mostrano la necessità di valutare valori di sforzo medio su volumi molto elevati, per ottenere criteri che possano essere ritenuti applicabili in diversi casi.