Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat

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Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
Claudio Mingazzini, Stefano Bassi, Matteo Scafe, Enrico Leoni – ENEA SSPT-PROMAS-TEMAF
                                                                                       Valentina Medri, Annalisa Natali Murri – ISTEC-CNR
                                      Narayan Jatinder Bhatia, Andrea Rossi – Consorzio MUSP, Tecnopolo di Piacenza sede Casino Mandelli
                                                                                Giulia De Aloysio, Mattia Morganti, Luca Laghi – CertiMaC
                                                                   Chiara Albertazzi, Brando Tuberosa – Curti Costruzioni Meccaniche SpA

Compositi resistenti                                                                                                                       WINNER
al fuoco per applicazioni
aeronautiche sviluppate
nel progetto FireMat

I
        l progetto FireMat (co-finanziato
        nell’ambito del Programma Ope-
        rativo Regionale Fondo Europeo
        Sviluppo Regionale - POR FESR
2014-2020 della Regione Emilia-Roma-
gna e dal Fondo per lo Sviluppo e la
Coesione - FSC), www.firemat.it) mira
a superare i principali limiti tecnici dei
compositi a matrice polimerica (PMC),
vale a dire resistenza al fuoco e la non
riciclabilità.
Il progetto, coordinato da ENEA - Labo-
ratorio tecnologie dei materiali Faenza          Fig.1: Provino per prove T-peel test con indicazione delle dimensioni
(ENEA-TEMAF), ha coinvolto 4 partner
no-profit (ISTEC-CNR, CertiMaC, Con-            SVILUPPO DI FIBRE METAL                                          stati introdotti all’interno della laminazio-
sorzio MUSP e Romagna Tech), tutti              LAMINATE (FML) RICICLABILI                                       ne, per fungere da barriere all’ossigeno
appartenenti alla rete regionale “Rete          Questo studio riguarda l’ottimizzazione                          e migliorare la resistenza al fuoco. Gli
Alta Tecnologia”, e 4 aziende locali (Buc-      della laminazione di un materiale com-                           FML sono stati ottenuti a partire da una
ci Composites SpA, Curti Costruzioni            posito fibro-rinforzato, la sua caratte-                         resina bio-based, con caratteristiche ri-
Meccaniche SpA, Aliva Srl e Tampieri            rizzazione meccanica, la modellazione                            tardanti di fiamma, associata a tessuti
Energie Srl).                                   FEM e l’applicazione come componente                             minerali derivati da basalto aeronautico,
FireMat (iniziato il 05/07/2019 e finito il     aeronautico. La soluzione presentata è                           lavorati sotto forma di preimpregnati e
04/02/2022) ha sviluppato nuovi mate-           una FML (Fibre Metal Laminates) rici-                            poi accoppiati a fogli di alluminio. La mo-
riali e processi per questi target, foca-       clabile. I PMC (Polymeric Matrix Com-                            dellazione FEM si è basata sulla carat-
lizzando una soluzione multi-materiale          posites) riciclabili e strutturali, svilup-                      terizzazione meccanica eseguita sui sin-
e la relativa ingegnerizzazione per appli-      pati finora in ENEA a partire dalla fibra                        goli strati e sulla resistenza dell’adesivo
cazioni nella produzione di componenti          minerale di tipo aeronautico, dovevano                           inter-strato: è stata ottimizzata una strut-
aeronautici. Da un’altra prospettiva, gli       essere associati a fogli di alluminio in                         tura a sandwich composita (compresa la
obiettivi del progetto FireMat sono il          modo da migliorare le caratteristiche al                         struttura a nido d’ape in alluminio).
rafforzamento del settore dei materiali         fuoco e rendere possibile l’applicazione                         La modellazione a elementi finiti (FEM)
compositi, superando gli attuali limiti di      alla produzione di un cofano per elicotte-                       è stata utilizzata per prevedere le pre-
temperatura di esercizio dei compositi          ro. L’obiettivo era la combinazione della                        stazioni di varie variabili di progettazione
fibrorinforzati a base polimerica e la pro-     riduzione del peso e della resistenza al                         utilizzando la tecnica di modellazione a
mozione di economie circolari locali at-        fuoco, massimizzando l’uso di materie                            zone coesive [1-3]. La laminazione defini-
traverso lo sviluppo di materiali riciclabili   prime riciclate, secondarie e derivate                           sce l’ordine di impilamento, il loro orien-
e l’impiego di materie prime seconde.           da biomasse. Gli strati di alluminio sono                        tamento e gli spessori dei vari strati [4].

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Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
Le proprietà del materiale e della lami-
nazione del composito sono state iden-
tificate in maniera accurata, utilizzando
un approccio “Design of Experiments
- DOE” e specifico data matching per
realizzare i modelli FEM. Infine, è stata
identificata la composizione del sandwi-
ch in grado di offrire il miglior compro-
messo possibile tra peso, dimensioni e
resistenza. Tutti i modelli FEM utilizzano
il codice commerciale Abaqus/CAE© e
il software di ottimizzazione Isight© di
Simulia©. Gli FML sono strutture ibride
basate su strati di PMC rinforzati con
                                                Fig.2: Schema esplicativo del processo di data matching
fibre alternate e lamiere di lega metalli-
ca. Le prestazioni meccaniche potenziali
degli FML dipendono dalla natura parti-
colare degli strati compositi e metallici e
dai pretrattamenti effettuati sul metallo,
che devono essere studiati e ottimizzati.
La soluzione tecnica discussa in questo
articolo mira a produrre “FML in forma
complessa” di potenziale interesse per
applicazioni aeronautiche, con gli ulterio-
ri benefici della sostenibilità ambientale
(strati compositi riciclabili bio-based e
parzialmente C2C), produzione rapida
di forme complesse (sfruttando strati di
prepreg e alluminio a basso spessore) e
resistenza al fuoco (utilizzando l’allumi-
nio come barriera all’ossigeno). La pro-
duzione degli FML è stata effettuata a
partire da preimpregnati a base di PFA,
utilizzando una pressa a caldo. Il proces-
so di produzione può essere effettuato
anche in autoclave. Le prove di trazione        Fig.3: Resistenza offerta dall’adesivo sottoposto a T-Peel Test secondo il modo di cedimento 1. Resistenza media misurata:
ASTM [5] e i T-peel test [2] seguono le         562 N/m; simulata: 532 N/m
indicazioni delle normative standard e
sono state eseguite per determinare le
proprietà meccaniche degli FML.
Per permettere la modellazione FEM,                                                               Max Stress          Young’s
                                                        Material               Orientation                                                  Fracture Energy (J)
sono state effettuate e simulate prove                                                              (MPa)           Modulus (GPa)
di adesione (fig.1).                                       C1                        0°            650 ± 20           34.5 ± 0.7                    155 ± 5
Grazie all’implementazione di modelli            FML-1, n° composite
                                                                                     0°             583 ± 24            26.0 ± 1.7                  210 ± 9
                                                 layer 5, n° Al layer 2
Isight con DOE e data matching, come
mostrato nello schema di figura 2, è            Tab.1: Caratterizzazione meccanica di PMC e FML (secondo normativa ASTM D3039)
stata eseguita la modellazione FEM in
maniera iterativa fino ad ottenere una
ragionevole rappresentazione delle pro-        dard ASTM D3039 e sono riassunte                                prove di resistenza al fuoco sono state
prietà del materiale per lo strato ade-        nella tabella 1. Una volta completata                           effettuate su campioni con dimensioni
sivo. Il punto di inizio della frattura e la   la caratterizzazione del composito e                            100x100 mm², considerando che il si-
resistenza media di adesione sono le           dell’FML, è stata effettuata la valida-                         stema di accensione della fiamma (arco
due variabili considerate per ottenere la      zione sperimentale della modellazione                           elettrico) è stato disattivato durante le
curva di corrispondenza migliore. Il risul-    sugli FML, eseguendo prove di trazione.                         prove di non combustione (30 min) e
tato ottenuto mediante il data matching        La sequenza di laminazione scelta pone                          attivato durante le prove di combustio-
(sperimentale e simulato) è mostrato in        l’alluminio all’esterno, per aumentare le                       ne di singoli oggetti (10 min). Il peso
figura 3.                                      proprietà di resistenza al fuoco, e l’uso                       dei campioni è stato misurato prima
                                               di alluminio T0 (non temprato), per ren-                        e dopo le prove, esponendo i campio-
Validazione del materiale e prove              dere possibile l’applicazione degli FML                         ni ad un flusso di calore di 46 kW/m²,
resistenza fuoco                               anche per la produzione di componenti                           corrispondente ad una temperatura di
Le proprietà meccaniche dei materiali,         in forme complesse.                                             750 ± 5°C. In accordo con la normativa
in termini di valori medi, usate come in-      L’associazione di un preimpregnato fire                         standard EN ISO 1182, diverse soluzio-
put per la modellazione FE, sono state         retardant con l’alluminio aumenta signi-                        ni FML soddisfano il requisito di classe
ottenute applicando la normativa stan-         ficativamente la resistenza al fuoco. Le                        A1 [6].

                                                                                                                                                                  23
Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
Fig.4: Cofano Motore (Engine cowling door) dell’elicottero Zefhir (www.zefhir.eu), sono visibili le condizioni di vincolo e di carico che vengono applicate in simulazione

Simulazione del plybook                                          fire-retardant, con la fibra minerale di                          MATRICI POLIMERICHE INORGA-
del cofano                                                       grado aeronautico Filava© (Isomatex SA,                           NICHE NANOSTRUTTURATE PER
Il cofano motore dell’elicottero mostra-                         Belgio). Il prepreg ottenuto risulta so-                          COMPOSITI         FIBRORINFORZATI
to in figura 4 è stato progettato con                            stenibile e rispettoso dell’ambiente, in                          RESISTENTI ALLE
una specifica disposizione degli strati                          quanto la resina è bio-based (possiede                            ALTE TEMPERATURE
del composito. Il plybook della sezione                          un C-footprint quasi nullo, anche se vie-                         Lo sviluppo di nuovi materiali che com-
è stato modellato come una struttura                             ne bruciata nel trattamento di fine vita) e                       binano leggerezza, resistenza meccani-
sandwich composta da elementi shell.                             la fibra minerale risulta riciclabile secon-                      ca e protezione antincendio insieme a
Le proprietà del materiale, valutate spe-                        do il principio Cradle-to-Cradle (C2C), il                        un processo di produzione sostenibile
rimentalmente e attraverso le simula-                            che significa che può essere riformata a                          è diventato strategico nell’ultimo perio-
zioni di caratterizzazione, sono state                           fibra vergine senza subire alcuna perdita                         do, soprattutto nell’industria automobi-
utilizzate come input per la laminazione.                        delle proprietà meccaniche (come di-                              listica e aerospaziale. L’attuale ricerca
Il sandwich è costituito dal susseguirsi                         mostrato dal progetto Cradle-to-Cradle                            sugli FRP (Fibre Reinforced Polymer) si
di strati di materiale composito in tes-                         Composites, www.c2cc-project.eu). In                              occupa della riduzione delle emissioni di
suto di prepreg a base basalto, strati                           figura 5, il componente viene mostrato                            VOC delle resine organiche, per diminu-
di alluminio riciclato e da uno strato di                        durante la fase di insacco sottovuoto e                           ire l’impatto ambientale, e dell’aumento
alluminio a nido d’ape, chiamato anche                           dopo la polimerizzazione.                                         della temperatura di servizio. In questo
“honeycomb”. Diverse sequenze di la-
minazione, con differenti spessori, sono
state testate, utilizzando la tecnica DOE,
per identificare il miglior compromesso
tra resistenza e peso.

Dimostratore del cofano motore
dell’elicottero
Il cofano motore dell’elicottero è stato
prodotto in Bucci Composites, lami-
nato e poi curato in autoclave, un’ora
a 180°C, dopo essere stato messo
sottovuoto. L’alluminio sottile in sta-
to T0 (non temprato) è stato utilizzato,
nella soluzione multi-materiale, come
ritardante fisico alla propagazione della
fiamma e di fenomeni ossidativi. La pro-
duzione del dimostratore è avvenuta in
due fasi successive: una prima fase, con
pressione di esercizio pari a 6 bar, per
ottenere la superficie estetica richiesta,
seguita da una fase di indurimento ad
1 bar, necessaria per consolidare i vari
strati. Questa procedura a doppio pas-
saggio è necessaria per non eccedere
il livello di resistenza a compressione
dell’honeycomb. Il prepreg è stato re-
alizzato, nell’ambito del progetto, da
ENEA associando la matrice PFA (poli
                                                                  Fig.5: Processo di laminazione e risultato finale del dimostratore del cofano motore per l’elicottero Zefhir
furfuril alcol), derivante da biomassa e

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Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
Il polimero inorganico è un nanocompo-
                                                                                                                   sito poli-sialato, ovvero un alcalino-allumi-
                                                                                                                   nosilicato sintetico ad alto rapporto SiO2:
                                                                                                                   Al2O3 con il 5% in peso di cariche cerami-
                                                                                                                   che, ottenuto da un precursore che è una
                                                                                                                   miscela a base acquosa priva di rischi che
                                                                                                                   garantisce il rispetto delle più rigorose le-
                                                                                                                   gislazioni ambientali e la possibilità di lavo-
                                                                                                                   rare con le stesse apparecchiature dei tra-
                                                                                                                   dizionali FRP. La microstruttura finale del
                                                                                                                   composito, riportata in figura 6, mostra le
                                                                                                                   fibre di carbonio circondate dalla matrice
                                                                                                                   vetroceramica formata durante il tratta-
                                                                                                                   mento termico. La matrice vetroceramica
                                                                                                                   potenzia le proprietà termo-strutturali del
                                                                                                                   composito, proteggendo le fibre anche
                                                                                                                   in ambienti altamente ossidanti grazie
                                                                                                                   all’introduzione di specifici filler refrattari
                                                                                                                   e UHTC. Inoltre, il composito mostra una
                                                                                                                   bassa espansione termica e una resisten-
                                                                                                                   za alla trazione fino a 200 MPa [7]. Poiché
 Fig.6: Diagramma di flusso del processo produttivo e microstruttura finale del composito resistente al fuoco      il composito è ovviamente progettato con
                                                                                                                   l’obiettivo di uno scale-up industriale, il
                                                                                                                   CNR-ISTEC ha prodotto in laboratorio il
                                                                                                                   dimostratore in scala reale di un tubo di
                                                                                                                   scarico di un elicottero, come riportato
                                                                                                                   in figura 7. Il prepreg è stato laminato su
                                                                                                                   un’anima sacrificale sviluppata da ENEA.

                                                                                                                   CONCLUSIONI
                                                                                                                   Lo studio e l’ottimizzazione degli FML
                                                                                                                   sono stati effettuati con lo scopo di svilup-
                                                                                                                   pare una nuova soluzione multi-materiale
                                                                                                                   resistente al fuoco per l’applicazione nel
                                                                                                                   settore aeronautico, insieme all’applica-
                                                                                                                   zione di materiali e processi più rispettosi
                                                                                                                   dell’ambiente. L’utilizzo di una fibra mine-
                                                                                                                   rale riciclabile C2C, in associazione ad una
                                                                                                                   resina bio-based e ad alluminio derivante
                                                                                                                   da fonti secondarie, rendono la soluzione
                                                                                                                   presentata molto interessante in termini
                                                                                                                   di LCA, soprattutto considerando che i
                                                                                                                   materiali resistenti al fuoco sono, general-
                                                                                                                   mente, molto più pesanti e non riciclabili.
                                                                                                                   La combinazione di molteplici innovazioni,
                                                                                                                   per ottenere un unico prodotto, richiede
                                                                                                                   un’attenta analisi e previsione delle pre-
                                                                                                                   stazioni attese, supportata da una affida-
                                                                                                                   bile modellazione virtuale.
                                                                                                                   Per quanto riguarda il composito rinforza-
                                                                                                                   to con fibra di carbonio, essendo resisten-
                                                                                                                   te alle alte temperature, potrebbe essere
 Fig.7: Dimostratore in scala reale di un tubo di scarico di un elicottero e sua produzione                        utilizzato come barriera termica sicura e
                                                                                                                   leggera con caratteristiche modulabili, a
                                                                                                                   seconda della composizione e degli spe-
quadro, CNR-ISTEC ha sviluppato un                                resistenti al fuoco attraverso un semplice       cifici trattamenti post-indurimento. In ge-
composito innovativo rinforzato con fibra                         processo di impregnazione delle fibre,           nerale garantisce una completa protezio-
di carbonio utilizzando un polimero inorga-                       sacco a vuoto e trattamento termico              ne dal fuoco, assenza di fumo ed elevate
nico nanostrutturato con cariche cerami-                          post-polimerizzazione in atmosfera inerte,       temperature di servizio (fino a 800°C).
che refrattarie e ultra-refrattarie (UHTC).                       per trasformare il polimero inorganico in
Questo materiale composito si pone a                              una matrice vetroceramica (fig.6), evitan-
metà tra gli FRP e i CMC (Ceramic Ma-                             do così la ripetizione delle fasi di infiltra-    Il progetto FireMat si è classificato ter-
trix Composite) tradizionali, ed è partico-                       zione polimerica e pirolisi (PIP) tipiche dei     zo al concorso “L’Europa è qui” 2021.
larmente adatto per realizzare strutture                          processi CMC.

                                                                                                                                                           25
Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
Claudio Mingazzini, Stefano Bassi, Matteo Scafe, Enrico Leoni – ENEA SSPT-PROMAS-TEMAF
                                                                                           Valentina Medri, Annalisa Natali Murri – ISTEC-CNR
                                        Narayan Jatinder Bhatia, Andrea Rossi – Consorzio MUSP, Tecnopolo di Piacenza sede Casino Mandelli
                                                                                    Giulia De Aloysio, Mattia Morganti, Luca Laghi – CertiMaC
                                                                       Chiara Albertazzi, Brando Tuberosa – Curti Costruzioni Meccaniche SpA

Fire Resistant composites
for aeronautical application
developed within FireMat project

F
         ireMat project (Regional Opera-      engine cowling door of a helicopter.             prepreg and aluminium layers at low
         tional Programme of the Europe-      The objective was the combination of             thickness) and fire resistance (using the
         an Regional Development Fund         weight reduction and fire resistance,            aluminium as oxygen barrier). The pro-
         - ERDF ROP 2014-2020 and De-         maximizing the use of C2C recyclable,            duction of the FML was carried out star-
         velopment and Cohesion Fund          secondary and biomass derived raw                ting from PFA-based prepregs, using a
of Emilia-Romagna Region; www.fire-           materials. Aluminium layers were intro-          warm press. The production process
mat.it) aims to overcome the main tech-       duced inside the lamination, to act as           might also be done by autoclave proces-
nical limits of polymeric matrix composi-     oxygen barriers and improve fire-retar-          sing. Tensile tests ASTM [5] and T-peel
tes (PMCs), namely fire resistance and        dancy. FML were obtained starting from           tests [2] were performed, according to
non-recyclability.                            a fire-retardant biobased resin, which           ASTM standards, in order to determine
The project was coordinated by ENEA -         was associated with aeronautical grade           FML mechanical properties.
Laboratory       Materials   Technologies     basalt-derived mineral fabric, processed         To perform FE Modelling, T-Peel tests
Faenza (ENEA-TEMAF) and involved              in the form of a prepreg and then cou-           (fig.1) were performed and simulated.
no-profit partners (ISTEC-CNR, Certi-         pled with aluminium foils. FE modelling          With the use of Isight’s DOE compo-
MaC, Consorzio MUSP and Romagna               was based on performed mechanical                nent and data matching tool, as shown
Tech) all belonging to the regional “Rete     characterization of the single layers and        in figure 2 - in a scheme, the FE model
Alta Tecnologia” and 4 local companies        inter-layer adhesive strength of the ply         was run multiple times to identify reaso-
(Bucci Composites SpA, Curti Costruzio-       stack: a composite sandwich structu-             nable material properties for the adhe-
ni Meccaniche SpA, Aliva Srl and Tam-         re (including aluminium honeycomb)               sive layer. Fracture initiation point and
pieri Energie Srl). FireMat (started on       was optimised. The Finite Element                average peel resistance were the two
5/07/2019 and finished on 4/02/2022)          (FE) modelling was used to predict the           variables considered to obtain the best
has been developing new materials and         performance of various design variants           matching curve. The result of data ma-
processes for these targets, focusing on      utilising cohesive zone modelling tech-          tching (experimental and simulated) are
a multi-material solution, and the related    nique [1-3]. The ply book contains the           shown in figure 3.
engineering to apply it to the production     stacking order, their orientation and the
of aeronautical components.                   thicknesses of the various ply layers [4].       Material validation and fire tests
From another point of view, FireMat           Precise material properties and com-             The tensile properties of the materials,
project’s goals are the reinforcement of      posite ply book stack has been identi-           in terms of average values, used as
the composite materials sector, overco-       fied following a Design of Experiments           input for FE modelling, were obtained
ming the current working temperature          – DOE and data matching approach on              applying ASTM D3039 standard and
limits of polymer-based fibre-reinfor-        all FE models. Finally, the composite            are summarised in table 1. Once com-
ced composites and the promotion of           sandwich with the best possible tra-             posite and FML characterization were
circular local economies by developing        de-off between weight, dimensions and            completed, experimental validation of
recyclable materials and employing se-        strength has been identified. All FE mo-         modelling on FML was carried out, by
condary raw materials.                        dels use the commercial code Abaqus/             performing tensile tests. The chosen
                                              CAE© and optimisation software Isight©           lamination sequence places aluminium
DEVELOPMENT OF RECYCLABLE                     from Simulia©. FML are hybrid structu-           on the outer part of the lamination to in-
FIBRE METAL LAMINATES (FML)                   res based on alternating fibre-reinforced        crease the fire resistance properties and
This study concerned with the opti-           PMC plies and metal alloy sheets. The            to use T0 (not tempered) aluminium, in
misation of a fibre-reinforced compo-         potential mechanical performance of              order to make it possible applying these
site material ply book, its mechanical        FML depends on the particular nature             FML also for the production of complex
characterization and FE modelling and         of both composite and metal layers, me-          shapes components.
application to an aeronautical compo-         tal nature and its pre-treatments, which         Associating a fire-retardant prepreg with
nent. The presented material solution         need to be investigated and optimised.           aluminium significantly enhances fire re-
is a recyclable FML (Fibre Metal Lami-        The technical solution which is discus-          sistance. The fire-resistance tests were
nates). Recyclable and structural PMCs        sed in this article aims to produce “FML         executed on 100x100 mm² samples by
(Polymeric Matrix Composites) develo-         complex shapes” of potential interest            considering the flame ignition system
ped up-to now in ENEA starting from           for aeronautical applications, with the          (electric arc) deactivated during the
aeronautical grade mineral fibre had to       additional benefits of environmental su-         non-combustibility tests (30 min) and
be associated to aluminium foils to im-       stainability (bio-based and partially C2C        activated during the Single Burning Item
prove fire characteristics, for the possi-    recyclable composite layers), fast pro-          tests (10 min). The weight of the sam-
ble application to the production of an       duction of complex shapes (exploiting            ples was measured before and after the

26
Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
test and the samples were exposed to          resins to decrease environmental impact        temperature resistant carbon fibre rein-
a heat flow of 46 kW/m2, corresponding        and with increasing service temperature.       forced composite, it might be used as a
to a temperature of 750 ± 5°C. Accor-         In this framework, an innovative carbon        safe and lightweight thermal barrier with
ding to the European standards, several       fibre reinforced composite has been            almost completely tunable properties,
FML solutions meet the class A1 range,        developed by CNR-ISTEC using a nano-           depending on the composition and the
according to EN ISO 1182 [6].                 structured inorganic polymer with refrac-      specific post-curing treatments. In ge-
Modelling of the composite plybook            tory and ultra-high temperature ceramic        neral, it grants complete fire-proofness,
The helicopter engine cowling door            (UHTC) fillers.                                no-smoke emissions and high service
shown in figure 4 has been designed           This composite material is halfway             temperatures (up to 800°C).
with the use of composite arrangemen-         between traditional FRPs and CMCs
ts. The composite plybook was model-          (Ceramics Matrix Composites), and is
led as a sandwich structure composed          particularly suitable to produce fire-pro-       FireMat project is among the winners
of continuum shell membranes. The             of structures through a simple process           of “L’Europa è QUI” 2021 competi-
material properties found experimentally      of fibre impregnation, vacuum bagging            tion.
and through material characterization si-     and post-curing thermal treatment un-
mulations were input in the lamina. The       der inert atmosphere to transform the
sandwich is composed of a basalt-based        inorganic polymer into a glass ceramic         REFERENCES
prepreg layer, recycled aluminium layer       matrix (fig.6), thus avoiding the repetition   [1] ABAQUS / Standard User’s Manual,
and aluminium honeycomb layer. Diffe-         of polymer infiltration and pyrolysis (PIP)    Version 2019. s.l.: Dassault Systemes Si-
rent plybook arrangements with reali-         steps typical of CMCs processes.               mulia Corp (2019).
sable thicknesses have been tried using       The inorganic polymer is a polysialate         [2] Standard Test Method for Peel Resi-
the DOE technique to identify the best        nano composite, namely a synthetic alka-       stance of Adhesives (T-Peel Test). ASTM
trade-off between strength and weight.        li-aluminosilicates with a high SiO2: Al2O3    D1876 (2015).
                                              with 5 wt% of ceramic fillers, obtained        [3] Finite Element Analyses of Several
Helicopter engine cowling door de-            from a precursor which is a hazard-free        T-peel Specimen configurations using
monstrator                                    water based mixture that ensures the           Cohesive Zone Models. Qian Li, Romesh
The helicopter engine cowling door was        compliance with the most strict environ-       Batra, David A. Dillard, and Ian Graham.
produced in Bucci Composites, by hand-        mental legislations and the possibility of     [4] Finite element analysis of composite
layup and then cured in autoclave, one        working with the same equipments of            materials using Abaqus. Barbero, Ever.
hour at 180°C, after vacuum bagging.          traditional FRPs.                              s.l.: CRC Press (2013).
Thin Aluminium in T0 state (not tempe-        The final microstructure of the composi-       [5] Standard Test Method for Tensile
red) is used in the multi-material solution   te is reported in figure 6, showing carbon     Properties of Polymer Matrix Composite
to act as a physical fire and oxidation-re-   fibres surrounded by the glass ceramic         Materials, ASTM D3039 (2017).
tardant. The processing pressure was 6        matrix formed during the thermal tre-          [6] Characterization in expected working
bar for the outer aesthetical surface, fol-   atment. Thus, the glass ceramic matrix         environments of recyclable fire-resistant
lowed by a second curing step, including      further boosts the thermo-structural           materials. Giulia De Aloysio, Mattia Mor-
the honeycomb, at 1 bar. This double          properties of the composite, protecting        ganti, Luca Laghi, Matteo Scafè, Enrico
step procedure is necessary in order not      the fibres even in highly oxidising envi-      Leoni, Claudio Mingazzini, Stefano Bassi.
to go beyond the compressive strength         ronments thanks to the introduction of         ICEAF VI (2021), oral communication.
of the aluminium honeycomb. The pre-          the specific refractory and UHTCs fillers.     [7] Nanostructured inorganic polymer
preg was produced within the project          Furthermore, the composite shows low           matrices for high temperature resistant
by ENEA associating biomass-derived           thermal expansion and a tensile strength       fiber reinforced composites. A. Natali
PFA (poly-furfuryl alcohol) fire retardant    up to 200 MPa [7].                             Murri, V. Medri, E. Landi, E. Apollo, C.
resin matrix with Filava© (Isomatex SA,       Since the composite is obviously desi-         Bordignon, C. Mingazzini, M. Scafè. ICE-
Belgium) aeronautical grade mineral fi-       gned with the aim of an industrial sca-        AF VI (2021), oral communication.
bre. This prepreg is sustainable and en-      le-up, CNR-ISTEC produced with lab
vironmentally friendly since the resin is     facilities a full scale demonstrator of a
biobased (and so nearly C-neutral, even       helicopter exhaust pipe, as reported in
if burned as end-of-life treatment), and      figure 7. The component was produced                   All the mentioned figures refer
Filava© mineral fibre is cradle-to-cradle     by laminating the prepreg on a sacrificial                   to the Italian version
recyclable, meaning it can be remelted as     core developed by ENEA.
virgin without mechanical degradation,
as project Cradle-to-Cradle Composites,       CONCLUSIONS                                    Fig.1: T-peel test specimen showing the dimensions of the
www.c2cc-project.eu, demonstrated. In         FML study and optimisations was carri-         adherends
figure 5, the component is shown during       ed out to develop a new multi-material fi-     Fig.2: Scheme showing the data matching process
vacuum bagging phase and after curing.        re-resistant solution for application in the   Fig.3: Adhesive resistance under Mode-1 failure.
                                              aeronautical sector, along with applying       Average peel resistance measured 562 N/m and simu-
NANOSTRUCTURED INORGANIC                      more environmentally friendly materials
POLYMER MATRICES FOR HIGH                     and processes. The adoption of a C2C           lated 532 N/mm
TEMPERATURE RESISTANT FIBRE                   recyclable mineral fibre, in association       Tab.1: Mechanical characterization of PMC and FML
REINFORCED COMPOSITES                         with a bio-based resin and aluminium           (ASTM D3039)
Nowadays the development of new ma-           from secondary sources make the so-            Fig.4: Engine cowling door of the Zefhir helicopter
terials combining lightweight, mechani-       lution very interesting in terms of LCA,       (www.zefhir.eu), with boundary conditions and loads
cal strength and fire protection together     especially considering that fire resistant     Fig.5: Lamination process and final result of the helicop-
with a sustainable production process,        materials are generally much heavier and       ter engine cowling door demonstrator
has become an issue, especially in the        non-recyclable. Combining multiple inno-
automotive and aerospace industry. The        vations to achieve a single product requi-     Fig.6: Schematic representation of the production pro-
current research on FRPs (Fibre Reinfor-      res a careful analysis and prediction of       cess and final microstructure of the fire-proof composite
ced Polymers) is dealing with reducing        expected performance, aided by reliable        Fig.7: Full scale demonstrator of a helicopter exhaust
the emissions of VOCs from organic            virtual modelling. Regarding the high          pipe and its production

                                                                                                                                              27
Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat Compositi resistenti al fuoco per applicazioni aeronautiche sviluppate nel progetto FireMat
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