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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.