Analisi termomeccanica comparativa di sistemi frenanti in C/C e C/SiC per veicoli ad alte prestazioni

This thesis provides a comparative analysis of Carbon/Carbon (C/C) and Carbon/Silicon Carbide (C/SiC) composite braking systems, evaluating their effectiveness under extreme operating conditions. The research highlights how technological evolution is driven by the need to manage thermal loads exceeding the limits of traditional metals, requiring materials capable of dissipating high energy densities (approximately 4,200 MJ/m²) while maintaining mechanical properties at temperatures near 2,200°C. The comparison between the two materials reveals distinct operational trade-offs. C/C systems represent the benchmark for the aerospace industry and Formula 1, thanks to their exceptional resistance to thermoelastic instability and low density (1.80 g/cm³). However, they exhibit a critical limitation in cold performance; due to the self-lubricating graphitic structure, the coefficient of friction (COF) at room temperature is extremely low (0.05–0.15), requiring temperatures above 400°C for effective operation. In contrast, C/SiC discs offer a versatile solution for road use, ensuring a stable and immediate COF (0.35–0.45) even at sub-zero temperatures, thanks to the ceramic matrix providing constant friction without the need for pre-heating. The service life of these two materials follows different metrics. While the durability of C/SiC is estimated in kilometers (150,000–300,000 km for standard use, reducing to approximately 95,000 km in high-performance scenarios), C/C discs are evaluated in landing cycles or race weekends, requiring frequent replacement due to poor oxidation resistance above 650°C. The analysis of environmental impact and maintenance highlights further divergences. C/SiC discs require reduced maintenance but present a high initial energy load. For C/C systems, the impact is mitigated by refurbishment practices that reduce emissions by 30% and by CO2 savings during flight that are ten times higher than those generated during the production phase.

Il presente elaborato analizza comparativamente i sistemi frenanti in materiale composito Carbonio/Carbonio (C/C) e Carbonio/Carburo di Silicio (C/SiC), valutandone l'efficacia in condizioni operative estreme. La ricerca evidenzia come l'evoluzione tecnologica sia guidata dalla necessità di gestire carichi termici superiori ai limiti dei metalli tradizionali, richiedendo materiali capaci di dissipare elevate densità di energia (circa 4.200 MJ/m²) mantenendo proprietà meccaniche fino a temperature prossime ai 2200°C. Il confronto tra i due materiali rivela compromessi operativi distinti. I sistemi C/C rappresentano il riferimento per il settore aeronautico e la Formula 1 grazie alla loro eccezionale resistenza all'instabilità termoelastica e alla bassa densità (1.80 g/cm³). Tuttavia, presentano una limitazione critica nelle prestazioni a freddo, a causa della struttura grafitica autolubrificante, il coefficiente di attrito (COF) a temperatura ambiente è estremamente basso (0.05-0.15), richiedendo temperature superiori ai 40°C per un funzionamento efficace. Al contrario, i dischi C/SiC offrono una soluzione versatile per l'uso stradale, garantendo un COF stabile e immediato (0.35-0.45) anche a temperature sotto zero, grazie alla matrice ceramica che fornisce attrito costante senza necessità di pre-riscaldamento. La vita utile dei due materiali segue metriche differenti. Mentre la durabilità dei C/SiC è stimata in chilometri (150.000-300.000 km per uso standard, riducendosi a circa 95.000 km in scenari ad alte prestazioni), i dischi C/C sono valutati in cicli di atterraggio o weekend di gara, con sostituzioni frequenti dovute alla scarsa resistenza all'ossidazione oltre i 650°C. L'analisi dell'impatto ambientale e del mantenimento evidenzia ulteriori divergenze. I dischi C/SiC richiedono una manutenzione ridotta ma presentano un elevato carico energetico iniziale. Per i sistemi C/C l'impatto è mitigato da pratiche di ricondizionamento che riducono le emissioni del 30% e da un risparmio di CO2 durante il volo dieci volte superiore a quello generato in fase di produzione.