Titolo della tesi: Role of interface rheology and physiochemistry on the tribological and vibrational response of C/C frictional systems
I materiali compositi carbonio/carbonio (C/C) sono impiegati in molte applicazioni frenanti ad alte prestazioni, come la frenatura aeronautica, in cui la leggerezza e la resistenza termica rappresentano requisiti cruciali. A causa del crescente interesse per questa classe di materiali, una grande quantità di lavori di ricerca ha studiato la loro risposta tribologica. È stato evidenziato un comportamento complesso, caratterizzato dall'esistenza di diversi regimi di attrito in funzione dei principali parametri di contatto (temperatura, pressione, velocità di strisciamento ecc.). Nonostante la mole di lavori focalizzati su questo argomento, solo pochi gruppi di ricerca hanno indagato la relazione tra la risposta in attrito dei materiali C/C e l'insorgenza di vibrazioni instabili indotte dall'attrito (FIV) del sistema meccanico, evidenziando un ruolo fondamentale svolto dalla reologia dell'interfaccia sui comportamenti di attrito che portano all'insorgenza di instabilità dinamiche di contatto.
In questo contesto, questa tesi di dottorato indaga il ruolo del terzo corpo (cioè lo strato di interfaccia formato dalle particelle di usura ed esterne) sulla risposta tribologica e dinamica dei sistemi di attrito C/C. A questo scopo, viene sviluppato un nuovo metodo sperimentale per la valutazione del ruolo reologico del terzo corpo, adottando un approccio indiretto. La tecnica di pulizia ad ultrasuoni viene applicata per rimuovere lo strato del terzo corpo da un contatto C/C, consentendo di eseguire test sugli stessi campioni
di materiale sia in presenza che in assenza dello strato di interfaccia. Il confronto tra i comportamenti misurati evidenzia un ruolo predominante del terzo corpo nel controllo della risposta complessiva in attrito del sistema, soprattutto in condizioni di alta temperatura. Viene anche studiata la reintroduzione nel contatto di un terzo corpo esterno, utilizzando come substrati i campioni puliti, ottenuti dopo essere stati sottoposti a condizioni reali di frenata e dopo la rimozione del loro terzo corpo naturale. La convalida di questa procedura apre la strada alla sperimentazione di campioni di terzo corpo artificiale. Osservazioni SEM complementari sono state eseguite per caratterizzare lo strato di terzo corpo osservato sulle superfici di attrito dei materiali C/C condizionati durante la vita operativa in servizio. Sono state identificate famiglie morfologiche del terzo corpo in accordo con la letteratura esistente, e un particolare focus è stato posto sui contaminanti eterogenei osservati nel terzo corpo carbonioso. Queste osservazioni hanno guidato lo sviluppo dei provini di terzo corpo artificiale, destinati a riprodurre il più possibile la morfologia del terzo corpo naturale, controllando la presenza e la morfologia dei contaminanti eterogenei. Utilizzando questa metodologia, è stato analizzato il ruolo del terzo corpo e delle sue caratteristiche, come la morfologia e la composizione chimica, sulla risposta in attrito e dinamica del sistema. L'effetto di selezionati contaminanti è stato studiato, rivelando una forte sensibilità della risposta in attrito dei materiali C/C rispetto alla natura del contaminante, anche in presenza di una bassa concentrazione di elementi eterogenei nello strato di terzo corpo. Ogni tipo di contaminante è caratterizzato in termini di effetto sui valori medi di attrito e sulla relazione attrito-velocità, aspetti entrambi fondamentali per valutare il loro impatto sul verificarsi di vibrazioni instabili indotte dall'attrito. Vengono quindi proposti scenari reologici per spiegare la risposta tribologica misurata, chiarendo i comportamenti di attrito che portano al verificarsi di una risposta dinamica instabile del sistema.