CFRP/Al dissimilar friction stir spot welding assisted by steel mesh sheets and evaluation of fatigue properties

Nel mondo moderno dei trasporti e dei macchinari, la spinta a risparmiare energia e ridurre le emissioni ha spinto gli ingegneri a sostituire l'acciaio pesante con materiali più leggeri. Due delle scelte più popolari sono l'alluminio, un metallo leggero e resistente, e la plastica rinforzata con fibra di carbonio, un materiale composito composto da sottili filamenti di carbonio intrappolati in una resina dura. Sebbene questi materiali siano eccellenti di per sé, unirli è stato a lungo un mal di testa. I metodi tradizionali, come l'imbullonamento, aggiungono peso e creano punti deboli, mentre l'incollaggio richiede lunghi tempi di attesa affinché l'adesivo polimerizzi. Per anni, gli scienziati hanno cercato un modo più veloce e resistente per fondere metallo e plastica senza scioglierli, sperando di creare strutture ibride che fossero al contempo leggere e durevoli.

Un team di ricercatori dell'Università di Gifu e dei suoi partner ha compiuto un passo significativo nella risoluzione di questo problema utilizzando una tecnica chiamata saldatura per attrito allo stato solido (friction stir spot welding). Questo processo funziona come un miscelatore ad alta velocità in stato solido: uno strumento rotante preme sulle lamiere sovrapposte di alluminio e plastica, generando abbastanza calore attraverso l'attrito per ammorbidire i materiali senza scioglierli, permettendo loro di mescolarsi. Tuttavia, saldare direttamente l'alluminio alla plastica con fibra di carbonio è complicato perché i due materiali non si legano naturalmente bene. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno introdotto un intelligente intermediario: un sottile foglio di rete metallica in acciaio. Hanno posizionato questa rete sulla superficie della piastra di plastica prima della saldatura, creando efficacemento un ponte tra il metallo e la plastica. L'obiettivo era vedere se questo ponte d'acciaio potesse tenere uniti i due materiali diversi in modo più sicuro rispetto a una saldatura diretta e capire quanto durassero queste giunzioni sotto stress ripetuto.

I ricercatori hanno iniziato preparando i loro materiali. Hanno utilizzato piastre di lega di alluminio standard e piastre di fibra di carbonio realizzate con un tipo specifico di resina plastica. Prima di unirli, hanno preso una rete metallica in acciaio inossidabile e l'hanno pressata sulla superficie della piastra in fibra di carbonio usando calore e pressione, inserendo leggermente i fili nella plastica. Hanno poi utilizzato lo strumento di saldatura per attrito per unire la piastra di alluminio a questa plastica rinforzata con la rete. Per trovare la combinazione migliore, hanno testato tre diversi tipi di reti metalliche in acciaio: uno strato singolo di comune acciaio inossidabile, uno doppio strato di quello stesso acciaio e un singolo strato di una lega di acciaio più forte e complessa. Hanno inoltre creato campioni di controllo saldando l'alluminio direttamente alla plastica senza alcuna rete, per vedere quanto l'acciaio aiutasse effettivamente.

Quando hanno tirato le giunzioni saldate per testarne la resistenza, i risultati sono stati sorprendenti. Le giunzioni che utilizzavano la rete metallica in acciaio erano quasi due volte più resistenti di quelle saldate direttamente senza di essa. Ciò ha confermato che la rete metallica in acciaio agiva come un potente agente legante. L'alluminio e i fili d'acciaio si sono fusi chimicamente, formando uno strato di metallo misto molto resistente, mentre i fili d'acciaio erano bloccati meccanicamente nella plastica. Tuttavia, quando i ricercatori hanno confrontato i diversi tipi di reti, è emerso un modello sorprendente. Nonostante la rete a doppio strato e la lega di acciaio più resistente fossero individualmente molto più robuste della rete a strato singolo di comune acciaio, la resistenza finale delle giunzioni non aumentava proporzionalmente. La giunzione realizzata con la rete più resistente non era significativamente più forte di quella realizzata con la più debole. In effetti, la differenza nella resistenza finale delle giunzioni era molto piccola, indipendentemente da quanto fosse forte la rete metallica stessa.

Per capire perché l'acciaio più resistente non portasse a giunzioni più forti, i ricercatori hanno esaminato attentamente dove i materiali si rompevano effettivamente. Quando hanno tirato le giunzioni, la rete metallica in acciaio e l'alluminio rimanevano uniti, ma la plastica con fibra di carbonio si strappava. La rottura non avveniva nell'acciaio né al confine tra metallo e plastica, ma all'interno della plastica stessa, a una distanza brevissima da dove lo strumento di saldatura aveva premuto. Esaminando i pezzi rotti al microscopio, hanno scoperto che il calore del processo di saldatura aveva danneggiato la resina plastica in uno strato sottile, creando piccoli spazi vuoti o cavità. Questa zona danneggiata era spessa solo circa duecento micrometri, ovvero circa la largia di due capelli umani. Poiché la plastica in questo strato sottile era stata indebolita dal calore, era l'anello debole dell'intera catena. Indipendentemente da quanto fosse forte la rete metallica, la giunzione poteva essere forte quanto questo sottile strato di plastica danneggiato dal calore.

I ricercatori hanno poi testato come queste giunzioni resistessero a stress ripetuti, simulando il tipo di scuotimento e vibrazione che un componente automobilistico potrebbe sperimentare nel tempo. Hanno scoperto che la resistenza alla fatica, ovvero la capacità di resistere alla rottura dopo molti cicli di carico, era quasi identica per tutti e tre i tipi di reti metalliche. Proprio come nei test di resistenza statica, il cedimento per fatica iniziava nello stesso punto: la plastica danneggiata dal calore vicino all'interfaccia. La rete metallica in acciaio non si rompeva per prima; invece, si formavano crepe nella plastica indebolita e solo dopo il cedimento della plastica i fili d'acciaio si spezzavano infine. Ciò ha confermato che la durata della giunzione era determinata dalle condizioni della plastica, non dalla forza del ponte d'acciaio.

Lo studio conclude che, sebbene la rete metallica in acciaio sia essenziale per creare un legame forte tra l'alluminio e la plastica con fibra di carbonio, l'uso di una rete semplicemente più forte o più spessa non rende la giunzione più resistente. Il fattore limitante è il sottile strato di plastica danneggiato dal calore del processo di saldatura. I ricercatori suggeriscono che, per rendere queste giunzioni ancora più forti in futuro, l'attenzione dovrebbe spostarsi dal cambiamento della rete metallica alla riduzione dell'apporto di calore durante la saldatura. Utilizzando meno calore, lo strato danneggiato di plastica diventerebbe più sottile, permettendo potenzialmente di sfruttare appieno la resistenza della rete metallica. Questo approccio offre una strada promettente per la costruzione di veicoli e macchine più leggeri ed efficienti, dimostrando che a volte la chiave per una connessione più forte risiede non nel ponte stesso, ma nel proteggere il terreno su cui esso poggia.