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Progetti Ricerca & Sviluppo

Si è concluso il Progetto FIRE: ecco i risultati.

Si è concluso con successo il Progetto di Ricerca FIRE.

Nell’ambito del progetto di ricerca FIRE – SVILUPPO DI PROTEZIONE AL FUOCO BASATO SU FOGLI DI GRAFENE (finanziato dalla Regione Campania nell’ambito del POR Campania FESR 2014/2020POR FESR CAMPANIA 2014/2020) sono stati sviluppati materiali compositi innovativi a base di grafene col fine di integrarli a componenti in composito in fibra di carbonio per aumentarne l’efficienza nello scambio termico e la resistenza al fuoco. 

Al giorno d’oggi i materiali compositi in fibra di carbonio sono molto utilizzati in svariati ambiti industriali grazie agli innumerevoli vantaggi che può comportare il loro utilizzo, ma a causa della scarsa resistenza che presentano quando sono esposti ad alte temperature vi sono preclusi ancora una serie di potenziali applicazioni. 

Progetto FIRE: obiettivi e finalità

Il progetto FIRE mira allo sviluppo di fogli a base di grafene da utilizzare come rivestimento per componenti in composito in modo da aumentarne la resistenza ad alte temperature. 

Tali rivestimenti hanno lo scopo, quindi, di costituire un vero e proprio scudo termico per i componenti che vanno a rivestire, in quanto, grazie alla struttura chimica del grafene, dissipano molto rapidamente il calore nella direzione del piano del rivestimento, impedendone la diffusione all’interno del composito sottostante. Inoltre, durante i test sperimentali, è emerso che il foglio di grafene presenta un notevole potere riflettente, ciò significa che quando un flusso di calore incide sulla superficie del rivestimento solo una parte di questo viene assorbito dalla superficie mentre invece buona parte viene riflesso. Questo favorisce ancor di più la potenzialità di protezione termica dei fogli di grafene, in quanti una volta investiti da una fonte di calore, grazie alla riflessività, solo una parte del calore incidente viene assorbito e questa porzione viene poi rapidamente dissipata dal foglio impedendo quindi al componente in composito rivestito di arrivare a temperature troppo elevate che potrebbero compromettere le sue funzionalità. 

Il nome FIRE

Il nome del Progetto nasce dal riferimento al fuoco e dall’evidenza grafica delle lettere che compongono la parola FIRE nel testo fogli di grafene: Sviluppo di protezioni al fuoco basate su FoglI di gRafenE.

Quali sono i vantaggi dei composti  Compositi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)?

I compositi CFRP presentano una serie di vantaggi che ad oggi favoriscono la loro diffusione in molte applicazioni industriali che richiedono l’utilizzo di materiali ad elevate prestazioni strutturali, come ad esempio il settore automotive e l’aerospazio. Ciò che rende i compositi in CFRP molto competitivi nei confronti dei materiali metallici è sicuramente il loro vantaggioso rapporto massa-resistenza, che consente un potenziale alleggerimento delle strutture mantenendo inalterate le caratteristiche meccaniche.

Di contro le resine di cui sono costituiti i composti presentano una notevole diminuzione della resistenza meccanica ad elevate temperature e questo limita molto il loro utilizzo in alcuni ambiti specifici, quali ad esempio la resistenza alle alte temperature. Il progetto FIRE si inserisce in questo ambito, con lo scopo di sviluppare protezioni termiche a base di grafene che migliorino la resistenza ad elevate temperature dei compositi in fibra di carbonio e non.

Contour di temperatura del Dimostratore non rivestito.

I partner di progetto

  • Jaber Innovation S.r.l. (Coordinatore) per lo studio e lo sviluppo del G-Preg;
  • Mare Engineering S.p.A. per la modellazione delle strutture in materiale compositi;
  • Novotech S.r.l. per l’integrazione del G-Preg in strutture in materiale composito e prototipazione;
  • CERICT per la caratterizzazione termica e fisico-meccanica,
  • IPCB-CNR,
  • Università della Campania Luigi Vanvitelli.

Durante il progetto i partner hanno lavorato alla produzione dei fogli in grafene, alla loro integrazione con i materiali compositi e alla realizzazione di componenti prototipali. È stato, inoltre, necessario sviluppare una metodologia per la modellazione del comportamento termico del materiale innovativo per validarne le caratteristiche termiche. A tal fine, sono state simulate numericamente diverse prove sperimentali condotte dai partner su coupon per calibrare il modello e verificare le modalità di propagazione del calore nei film di grafene. 

Infine sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di un componente automotive, rivestito e non dalla protezione in grafene e successivamente tali prove sono state correlate numericamente, grazie alla metodologia studiata in precedenza. Per validare la funzionalità e le prestazioni dei film di grafene è stata scelta una porzione di parete parafiamma di un’auto sportiva che ha il compito di proteggere il conducente dal calore proveniente dal motore. Dai risultati ottenuti si è dimostrato che il componente rivestito risulta interessato da temperature inferiori rispetto al componente non rivestito e non presenta danneggiamenti conseguenti all’esposizione al flusso termico. 

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Analisi e prototipazione

Il ruolo di Mare Engineering nel progetto FIRE

Nell’ambito del progetto FIRE Mare Engineering si è occupata di studiare un metodo che permetta di riprodurre attraverso simulazioni numeriche il comportamento termico dei film di grafene quanto più fedelmente possibile. Per arrivare a ciò è stato necessario valutare quale analisi e quali elementi potevano meglio riprodurre la complessa modalità di trasmissione del calore dei fogli di grafene. Infatti, nonostante i fogli siano spessi meno di un millimetro, è stato necessario analizzare nel dettaglio le modalità di trasmissione del calore nello spessore, per accertarsi che la simulazione numerica riproducesse la differenza tra la diffusione del calore nel piano del foglio e quella nello spessore. Quest’ultima risulta infatti una caratteristica fondamentale delle protezioni termiche a base di grafene, insieme all’emissività.

Una volta consolidata la metodologia ottimale, è stato possibile riprodurre numericamente i test sperimentali svolti dai partner del progetto al fine di consolidare i valori da assegnare alle proprietà termiche dei fogli di grafene. Per allestire correttamente la prova numerica sono state analizzate dettagliatamente le condizioni in cui è stata svolta la prova sperimentale, in cui i coupon rivestiti e non sono stati investiti da un fascio laser. Successivamente quindi è stata effettuata la correlazione dei risultati ottenuti dalla prova numerica e dal test sperimentale ed è stato possibile consolidare dati come l’emissività e la conducibilità termica dei fogli di grafene.

Per certificare le prestazioni dei fogli di grafene, i coupon nudi e rivestiti sono stati sottoposti, inoltre, alla prova del cono calorimetrico. Tale prova ha come fine portare in condizioni limite i componenti e misurare in quanto tempo avviene l’ignizione di questi. Durante il test è stato possibile osservare la potenzialità del foglio di grafene di ritardare l’ignizione del composito rivestito, rispetto al coupon non rivestito. In questo caso, grazie alle simulazioni svolte da Mare Engineering, è stato possibile definire un criterio di failure univoco in grado di correlare i risultati sperimentali della prova con quelli numerici. Il criterio di failure rappresenta un indice fondamentale nella progettazione di un’eventuale protezione di grafene in quanto ci dice quanto tempo un determinato foglio di grafene è in grado di resistere a determinate condizioni di flusso termico prima di essere considerato inutilizzabile.

Definito tale criterio, è stato sviluppato un abaco in cui sono riportati i risultati, in termini di tempi di ignizione, di una serie di analisi parametriche svolte variando all’interno della simulazione alcune caratteristiche dei componenti, come lo spessore e la percentuale di grafene presente. L’abaco sviluppato rappresenta quindi uno strumento semi-automatico di ausilio alle scelte di progettazione di una protezione con rivestimenti in grafene, consentendo di valutare la combinazione ottimale di parametri di progetto (spessore e tipologia di grafene) più adatta al caso in esame, una volta fissati i tempi di ignizione.

Infine per testare l’efficacia delle protezioni di grafene su componenti in composito in fibra di carbonio, è stato scelto da Mare Engineering un dimostratore per il settore automotive, focalizzando l’attenzione su una porzione di una parete parafiamma di vettura sportiva con motore posteriore. Tale componente ha infatti il compito di schermare l’abitacolo da fonti di calore derivanti dal comparto motore. Al fine di riprodurre quanto più fedelmente possibile le condizioni di esercizio del componente scelto è stata allestita una prova ad impulso laser con preventivo riscaldamento del componente in forno.. Tale test sperimentale e la successiva correlazione con i risultati ottenuti dal modello numerico ha consentito di confermare sia la bontà dell’approccio metodologico utilizzato per modellare il problema, che le prestazioni della protezione di grafene, consentendo di validare nell’insieme l’intero progetto di ricerca e di poterne estendere in futuro le applicazioni su casi industriali applicativi. 

Scarica la brochure del Progetto FIRE

 


Il progetto FIRE – Sviluppo di protezioni al fuoco basate su Fogli di Grafene, è cofinanziato dall’Unione Europea, dallo Stato italiano e dalla Regione Campania, nell’ambito del POR Campania FESR 2014-2020.

Regionale Campania OS 1.1.

www.ec.europa.eu

www.regione.campania.it

www.porfers.regione.campania.it


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