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Conte, Alberto (2018) Development of brake components: geopolymer based brake pads. [Ph.D. thesis]

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Thesis not accessible until 01 October 2021 for intellectual property related reasons.
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Abstract (italian or english)

The brake disc technology is the most used on commercial vehicle. The main focus of this project was the substitution of the phenolic resin, which is normally used as matrix in brake pads, with inorganic matrix, and in particular with geopolymer.
The inspiration comes from their inorganic structure. Geopolymers have better thermal properties than organic resins, which typically decompose by oxidation starting from 400°C. In fact, during the braking events temperature in the order of 600°C-800°C can be reached.
The research has been financed by ITT Italia s.r.l a world company leader on the production of brake pads. On the base of the guidelines of the company, the goal of the project has been the substitution of the phenolic resin with the geopolymer matrix and without any modification on the production process of brake pads.
Brake pads were produced using a warm press technology in dry conditions. During the pressing step occurs the phenolic resin’s crosslinking which could be completed through a post-curing in oven.
Based on the fact which the geopolymer are synthesized in solution, the first part of the project was focused on the development of geopolymer matrices suitable to be processed in the same conditions used to produce phenolic resin-based brake pads.
Two geopolymer system have been developed:
1. the hydrothermal dry synthesis of hydrosodalite from the reaction of kaolin and sodium hydroxide;
2. the cold sintering of geopolymer powder based on metakaolin and sodium silicate.
The best pressing conditions for the two system were evaluated on the base of their effect on mechanical properties and physical proprieties of geopolymer matrix. To evaluate the feasibility of the production in large scale of the geopolymer based brake pads, for the geopolymer matrices two goals have been followed at the same time:
1. The scale up at an industrial level for the geopolymer matrix production. Tests were carried out before at lab scale and subsequently with industrial technologies.
2. The optimization of the brake formulations has been done in ITT Italia s.r.l. on the base of physical properties and friction characterization of geopolymer based brake pads.

Abstract (a different language)

La tecnologia di frenata basata sui dischi freno è la più utilizzata sui veicoli commerciali. L'obiettivo principale di questo progetto ha riguardato la sostituzione della resina fenolica, che viene normalmente utilizzata come matrice nelle pastiglie freno, con una matrice inorganica e in particolare con geopolimeri.
L'idea deriva dalla loro struttura inorganica. I geopolimeri possiedono infatti proprietà termiche migliori delle resine organiche, le quali si decompongono in genere per ossidazione a partire dai 400 °C. Infatti, in fase di frenata frenata si possono raggiungere temperature dell'ordine di 600 °C - 800 °C.
La ricerca è stata finanziata da ITT Italia s.r.l, un'azienda leader mondiale nella produzione di pastiglie freno. Sulla base delle linee guida dell'azienda, l'obiettivo del progetto è stato la sostituzione della resina fenolica con la matrice geopolimerica, e con il vincolo di non introdurre alcuna modifica sul processo di produzione delle pastiglie freno a base di resina fenolica.
Le pastiglie freno sono state prodotte utilizzando una tecnologia di pressatura a caldo e a secco. Durante la fase di pressatura, avviene la reticolazione della resina fenolica, che può essere completata successivamente attraverso un post-curing in forno.
Sulla base del fatto che il geopolimero è prodotto in soluzione acquosa, la prima parte del progetto, si è concentrata sullo sviluppo di matrici geopolimeriche adatte ad essere lavorate nelle stesse condizioni utilizzate per la produzione di pastiglie freno a base di resine fenoliche.
Sono stati sviluppati due sistemi geopolimerici:
1. La sintesi idrotermale a secco di idrosodalite dalla reazione di caolino e idrossido di sodio;
2. La sinterizzazione a freddo della polvere di geopolimero ottenuto dalla reazione tra metacaolino e silicato di sodio.
Le migliori condizioni di pressatura per i due sistemi, sono state valutate sulla base del loro effetto sulle proprietà meccaniche e sulle proprietà fisiche della matrice geopolimerica. Per valutare la fattibilità della produzione su larga scala delle pastiglie freno a matrice geopolimerica, per le matrici geopolimeriche sono stati perseguiti due obiettivi allo stesso tempo:
1. L’industrializzazione della produzione delle matrici geopolimeriche. I test sono stati effettuati prima su scala di laboratorio e successivamente con tecnologie industriali.
2. L'ottimizzazione delle formulazioni per pastiglie freno, che è stata effettuata presso il centro ricerche di ITT Italia s.r.l., sulla base delle proprietà fisiche e della caratterizzazione del comportamento ad usura delle pastiglie freno basate sui geopolimeri.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Colombo, Paolo
Ph.D. course:Ciclo 31 > Corsi 31 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:30 November 2018
Anno di Pubblicazione:30 November 2018
Key Words:geopolymer, brake pad, cold sintering, hydrothermal synthesis
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:11511
Depositato il:08 Nov 2019 10:52
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