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Jun 04, 2023

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Scientific Reports volume 13, Articolo numero: 5092 (2023) Citare questo articolo 741 Accessi Dettagli metriche Tra i diversi aspetti fondamentali che governano la progettazione e lo sviluppo di forme allungate

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5092 (2023) Citare questo articolo

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Tra i diversi aspetti fondamentali che governano la progettazione e lo sviluppo di strutture multimateriali allungate tramite la tecnica preforma-fibra, le metodologie di associazione dei materiali ricoprono un ruolo cruciale. Influiscono notevolmente sul numero, sulla complessità e sulle possibili combinazioni di funzioni che possono essere integrate all’interno delle singole fibre, definendone così l’applicabilità. In questo lavoro viene studiata una strategia di co-disegno per produrre microfibre monofilamento da associazioni uniche di vetro-polimero. In particolare, il metodo del nucleo fuso (MCM) viene applicato a diversi materiali termoplastici amorfi e semicristallini per la loro integrazione all'interno di architetture di vetro più grandi. Vengono stabilite le condizioni generali in cui il MCM può essere impiegato. È dimostrato che i classici requisiti di compatibilità della temperatura di transizione vetrosa per le associazioni vetro-polimero possono essere superati e che altre composizioni di vetro diverse dai calcogenuri possono essere stirate termicamente con materiali termoplastici, qui vengono considerati i vetri di ossido. Vengono quindi presentate fibre composite con varie geometrie e profili compositivi per illustrare la versatilità della metodologia proposta. Infine, le indagini si concentrano sulle fibre prodotte dall'associazione di polietere etere chetone (PEEK) con vetri tellurite e fosfato. È dimostrato che in condizioni di allungamento appropriate, la cinetica di cristallizzazione del PEEK può essere controllata durante lo stiramento termico e cristallinità del polimero fino a 9 massa. % vengono raggiunte nella fibra finale. Si ritiene che tali nuove associazioni di materiali, nonché la capacità di adattare le proprietà dei materiali all'interno delle fibre, potrebbero ispirare lo sviluppo di una nuova classe di oggetti ibridi allungati con funzionalità senza precedenti.

Le fibre multimateriali stanno dando un notevole impulso allo sviluppo di nuove generazioni di dispositivi e componenti miniaturizzati con applicazioni che abbracciano tutti i domini tecnologici di interesse (salute, energia, elettronica, ambiente, difesa, telecomunicazioni, ecc.). La fabbricazione di oggetti così straordinari e innegabilmente utili si basa su processi avanzati di modellatura dei materiali, necessari per incorporare contemporaneamente più funzionalità all’interno delle fibre. Grazie ai forti contributi della comunità della scienza dei materiali, la gamma di materiali che possono essere integrati negli assemblaggi di fibre1, così come le loro possibili combinazioni e il modo in cui sono disposti all'interno delle strutture allungate, sono ora immensamente ampliati2,3,4,5. Per raggiungere questo obiettivo, sono state implementate numerose strategie di preparazione delle preforme e tecniche di trafilatura termica non convenzionali, come la tecnica stack-and-draw6,7, metodi di inserimento8,9 (derivati ​​dal rod-in-tube10,11), estrusione12, produzione additiva13, 14,15 così come l'inserimento diretto del filo16,17, e così via. Tra le popolari strategie di preparazione delle fibre multimateriale, il metodo del nucleo fuso (MCM) appare come una delle principali soluzioni interessanti per la progettazione di complesse strutture ibride allungate18. L'MCM si basa sul seguente principio: un materiale dell'anima viene inserito all'interno di un rivestimento amorfo per formare una preforma macroscopica e l'insieme viene successivamente stirato in sottili fibre continue utilizzando convenzionali apparecchiature di trafilatura delle fibre, con la particolarità che durante la procedura di stiramento, l'anima il materiale è allo stato fuso, mentre il materiale di rivestimento amorfo è solo ammorbidito. In altre parole, il rivestimento funge da supporto per limitare il flusso del materiale liquido del nucleo. Nello sviluppo iniziale della tecnica del nucleo fuso19, il metodo si riferiva a procedure di allungamento termico durante le quali si verificavano interazioni chimiche all'interno della miscelazione dei materiali del nucleo o tra il nucleo fuso e il rivestimento. Questo processo consentirebbe la produzione di nuovi materiali che non potrebbero essere sintetizzati altrimenti o che non potrebbero essere integrati nelle fibre attraverso il processo di trafilatura convenzionale. La tecnica designa ora, in modo più ampio, procedure di allungamento termico durante le quali un materiale del nucleo viene stirato mentre si trova allo stato fuso20. Fino ad oggi, l'MCM è stato sfruttato principalmente per l'incorporazione nella fibra di materiali inorganici estensibili non convenzionalmente (composizioni di vetro con elevate concentrazioni di terre rare, semiconduttori, metalli, ecc.), ma l'integrazione di polimeri in strutture allungate a base di vetro utilizzando la stessa metodologia non sono state studiate.