Riassunto analitico
L’uso di materiali sempre più leggeri e performanti è di fondamentale importanza per molte applicazioni,sia per ottenere migliori prestazioni ma anche per ridurre i consumi energetici. Il settore automotive ne è un evidente dimostrazione. Infatti ad esempio, la richiesta di una sempre maggiore efficienza energetica dei motori e la riduzione dei consumi sono diventati vincoli fondamentali in fase di progetto, per i quali sempre più si è alla ricerca della riduzione del peso del veicolo. Inoltre, l’utilizzo di materiali compositi permette di incrementare performance quali, proprietà strutturali, meccaniche e termiche del componente,difficilmente raggiungibili con l’impiego dei comuni materiali. A tale proposito particolare importanza è rivestita dai materiali compositi a matrice metallica anche riconosciuti con l’acronimo MMC (Metal Matrix Composite)utilizzati in questo settore per lo sviluppo di componenti quali valvole di aspirazione e scarico, dischi freno, rinforzo della camicia dei cilindri, pistoni, alberi motori ecc.. L’alluminio e le sue leghe sono le più comuni matrici metalliche impiegate.I motivi risiedono nel favorevole rapporto modulo elastico/densità che permette il raggiungimento di alta rigidità specifica,basso costo di produzione, bassa densità, ampia gamma di leghe ottenibili in funzione dell’applicazione eflessibilità per quanto riguarda i trattamenti termici e i processi tecnologici applicabili. I rinforzi utilizzati nei MMC sono molteplici e variano in funzione delle proprietà che si desiderano ottenere. Tra questi il più innovativo ma ancora in fase di sviluppo riguarda il rinforzo nano particellare realizzato con nanotubi in carbonio CNTs (Carbon NanoTubes), il quale negli ultimi anni è oggetto di studio presso il centro di ricerca tedesco Fraunhofer che vanta un importante “know how”. È stato dimostrato, che l’opportuna dispersione e realizzazione di un’efficace interfaccia di questo tipo di rinforzo all’interno di una matrice metallica, contribuisce ad ottenere un materiale con proprietà ancora migliori rispetto ad un rinforzo micro particellare. Oggetto di questa tesi sarà dunque, in collaborazione con Fraunhofer Insitute, lo sviluppo, l’analisi e l’applicazione di questo composito innovativo in uno tra quelli che sono i componenti più importanti e critici dei motori a combustione interna: il pistone.
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Abstract
The use of ever lighter materials with higher performance plays an important role for many applications, both for better life cycle but also to reduce energy consumption.
The automotive sector is an obvious demonstration. In fact, the demand for ever greater energy efficiency of engines and less consumption have become fundamental constraints in the design phase , for which it is increasingly searching for weight reduction. Additionally, the use of composite materials allows to increase performance such as, structural properties , thermal and mechanical component , which are difficult to reach with the use of common materials .
In this regard, metal matrix composite materials also known with the acronym MMC used in this sector for the development of components such as intake and exhaust valves, cylinders reinforcement, pistons, shafts motors, etc. are particular importance.
The aluminum and its alloys are the most common metal matrix used. The reasons are achievement of high specific stiffness , low production cost , low density , wide range of alloys obtainable in function of application and flexibility with regard to the thermal treatments and the applicable technological processes.
The reinforcements used in MMC are multiple and vary depending on the property that are wishes to obtain . Among these, the most innovative but still under development relates to strengthening nanoparticle made of carbon nanotubes CNTs , which in the last years have been studied at the German Fraunhofer research centre that boasts an important " know-how ".
It has been shown , that the appropriate dispersion and realization of an efficient interface of this type of reinforcement within a metal matrix , contributes in obtaining a material with even higher properties compared to a micro- particle reinforcement .
The subject of this thesis will therefore , in collaboration with the Fraunhofer Institute , be development , analysis and application of this innovative material. This composite will be used in one of the most important and critical components of internal combustion engines : the piston.
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