1 MATERIALI COMPOSITI La tecnologia è oggi fortemente

MATERIALI COMPOSITI
La tecnologia è oggi fortemente condizionata dalla possibilità di disporre di nuovi
materiali in grado di soddisfare le richieste da
parte
dei
progettisti
in
termini
di
caratteristiche meccaniche sempre più elevate
e di una tenuta nel tempo in condizioni
sempre più gravose. Tra questi i materiali
compositi occupano un posto di particolare
rilievo in virtù sia delle forti caratteristiche
innovative da loro possedute che della
possibilità di progettare il materiale in base
alle specifiche funzionali e strutturali della
struttura da realizzare.
I materiali compositi sono cosiddetti
perché
ottenuti
dalla
combinazione
tridimensionale di 2 o più materiali tra loro
chimicamente differenti e con un’interfaccia di
separazione. Nei compositi una o più fasi
discontinue,
generalmente
costituite
da
materiali di elevate caratteristiche meccaniche
(rinforzo), sono annegate in una fase continua
(matrice).
Matrice
e
rinforzo,
pur
mantenendo, a livello micro e macro, la
propria
individualità
e
le
proprie
caratteristiche, danno luogo ad un nuovo
materiale con proprietà chimico-fisiche non riscontrabili nei singoli materiali che la
compongono e complessivamente superiori alla pura somma delle proprietà dei singoli
componenti.
In
natura
esistono
diversi
esempi di materiali compositi (per es.
legno e osso).
Che con l’uso di materiali
compositi
si
potessero
produrre
materiali con proprietà meccaniche
migliori rispetto a quelle dei singoli
costituenti, era già noto agli antichi
egizi che, migliaia di anni fa,
miscelavano paglia e fango per
ottenere mattoni da costruzione più
resistenti e meno fragili di quelli ottenuti da solo fango; e che le proprietà di un’asse di
legno dipendano dalla direzione secondo la quale è sollecitata, è noto a chi, cercando di
romperla, la dispone secondo la direzione che la vede opporre la minore resistenza.
Fibre di paglia, in un caso, e fibre di cellulosa, nell’altro, aggiunte al fango o alla
lignina, non soltanto ne modificano le proprietà, ma ne consentono l’uso per compiti
strutturali per i quali fango e lignina da soli sarebbero insufficienti.
Un più recente esempio di materiale composito è il
calcestruzzo costituito da una miscela di 2 fasi, pietrisco e malta:
tali fasi sono chimicamente distinte, hanno caratteristiche
meccaniche molto diverse e l’interfaccia è ben visibile ad occhio
nudo. Se poi al calcestruzzo si aggiungono i tondini in acciaio
opportunamente disposti si ottiene un altro materiale composito:
il cemento armato.
La combinazione di due o più materiali diversi in un
materiale composito produce oggi materiali e strutture che,
consentendo una grande varietà di geometrie e prestazioni,
trovano applicazioni vaste e sempre più numerose.
Secondo la definizione data non sono materiali compositi le
leghe metalliche, ne le materie plastiche contenenti riempitivi di
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vario genere, plastificanti, lubrificanti ecc.; infatti in questi materiali i singoli costituenti
perdono la propria identità dissolvendosi o fondendosi completamente l’uno nell’altro
per dar luogo al composto finale.
Classificazione
I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti. La
maggior parte dei compositi sono formati da due tipi di costituenti: il legante, o matrice,
ed il rinforzo. La matrice mantiene i materiali di rinforzo in posizione, e poiché questi
ultimi sono solitamente discontinui tra loro, la matrice ha anche la funzione di
trasferimento dei carichi.
I compositi possono classificarsi in base alla matrice e in base al rinforzo.
in base alla matrice:
• polimerici (termoplastici e termoindurenti),
• metallici (alluminio e titanio),
• ceramici,
in base al rinforzo:
• particolati
• a fibra continua,
• a fibra discontinua
FUNZIONI DELLA MATRICE
La matrice èquella parte del composito identificabile come un “continuo” cioè un
elemento senza soluzione di continuità che generalmente definisce forme e volume della
struttura in cui è inserita. La maggior parte dei materiali compositi moderni combinano
una matrice in resina termoindurente con rinforzi in fibra oltre a cellule di rinforzo quali
schiume dure e strutture a nido d’ape (honeycomb). Le matrici di resina termoindurente
più comunemente usate includono poliestere, epoxy, estere vinile e fenoli. La scelta dei
tipi di resine impiegate permette di variare le caratteristiche relative alle temperature
d’esercizio, alla resistenza agli agenti chimici e all’aggressione degli agenti atmosferici,
alle proprietà di conducibilità elettrica e alla resistenza al fuoco. Le matrici allo stato
originario hanno la forma di polimeri liquidi e vengono convertite in solidi durante il
processo di modellazione.
Le principali funzioni svolte dalla matrice sono:
• distribuire i carichi e trasferirli alle fibre
• tenere insieme le fibre
• distanziare le fibre
• proteggere le fibre dall’ambiente esterno
• arrestare la propagazione delle fessurazioni da una fibra all’altra
FUNZIONI DEL RINFORZO
Il rinforzo è generalmente costituito da entità multiple distribuite più o meno
uniformemente nella matrice. Tali componenti possono essere dosate a piacimento dal
progettista per modulare le proprietà del materiale finale. I rinforzi sono disponibili in
varie forme (particolati,
fibre
continue,
fibre
frammentate, multi-assiali
o
intessute);
sono
l’ossatura
dei
materiali
compositi, e la loro scelta
determina in buona parte
le caratteristiche e le
prestazioni del composito.
Un particolato ha
approssimativamente
le
stesse dimensioni in ogni
direzione
benché
non
siamo necessariamente in
presenza di elementi sferici. Ghiaie, microgranuli e polveri di resina sono tutti esempi di
rinforzi particolati. I rinforzi di materiali compositi si dicono fibre quando una
dimensione diventa prevalente rispetto alle altre.
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Le fibre:
• rappresentano il costituente che sopporta principalmente il carico
• agiscono come barriera ai movimenti delle dislocazioni e alla propagazione
della frattura della matrice
• impartiscono rigidezza alla matrice
Rinforzi in fibra discontinua (pezzi di fibra, filamenti etc.) variano in lunghezza da
pochi millimetri ad alcuni centimetri. Nel caso dei particolati e delle fibre discontinue le
proprietà finali del composito non
riescono ad avvicinarsi più di
tanto a quelle tipiche del rinforzo.
Nel caso di rinforzi di
materiali compositi a struttura
continua, invece, ci sono poche o
nessuna
interruzione
nella
struttura
del
rinforzo.
Le
proprietà
fisico-chimiche
del
composito se ne avvantaggiano di
molto. Compositi di questo tipo
sono
quindi
indicati
per
applicazioni ad alta performance
quali
quelle
sportive
o
di
derivazione aerospaziale.
SISTEMI SANDWICH (PANNELLI)
Lamina
Laminato
Nido d’ape
Espanso
Le fibre più utilizzate sono:
• Vetro: economiche, di buone prestazioni, sono state le prime e rimangono le
più diffuse
• Carbonio: il miglior abbinamento di prestazioni e leggerezza, hanno un costo
più elevato
• Aramidiche: (tra le quali il Kevlar) incredibili caratteristiche meccaniche,
meno fragili del carbonio, sono però più delicate
• Boro: il massimo della leggerezza, hanno costo molto elevato
• Metallo: diversi composti metallici possono offrire notevoli caratteristiche
meccaniche e termiche, richiedendo però tecniche di lavorazione particolari
I processi produttivi più comuni sono: stampaggio, iniezione, impregnazione,
sinterizzazione e poltrusione.
Le tecnologie di fabbricazione dipendono in larga misura dalla natura della
matrice,dalla forma dell’oggetto, e dalle prestazioni finali che si vogliono ottenere, e
variano dalla lavorazione a freddo manuale, all’uso di iniezione, autoclave e tessitura
robotizzata; la tipologia degli stampi, di conseguenza, cambia dalla semplice sagoma
allo stampo da iniezione o da pressatura.
La tecnologia dei materiali compositi è in continua evoluzione. Lo sviluppo di
nuovi processi di fabbricazione, e la messa a punto di nuove matrici polimeriche,
facilmente processabili e riciclabili, potranno ancor più ampliare i settori di utilizzazione
di questi materiali.
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Materiali compositi a matrice polimerica
Rispetto ai materiali tradizionale, i compositi sono caratterizzati
da una
combinazione unica di robustezza, leggerezza, resistenza alla corrosione e agli agenti
chimici, isolamento termico ed elettrico. La combinazione di due o più materiali diversi
in un materiale composito produce oggi un’ampia gamma di materiali e strutture che
trovano applicazioni sempre più numerose. In alcuni casi il materiale composito viene
prodotto per impartire alla matrice che lo contiene proprietà genericamente migliori. In
molti altri casi il materiale composito viene progettato in modo tale che le sue proprietà
siano specifiche e volute. Le proprietà dei materiali compositi permettono, infatti, di
disegnare il prodotto finale in modo tale da modulare le caratteristiche di resistenza e
rigidità solo nei punti maggiormente sottoposti a sollecitazione, una prerogativa resa
possibile dal tipo di
rinforzo
e
dall’orientamento delle
fibre. Così uno stesso
manufatto può essere
realizzato in modo da
presentare, nei diversi
punti,
caratteristiche
differenziate.
Questa
possibilità consente di
disegnare
prodotti
finali che richiedono un minor numero di parti da assemblare così da generare risparmi
nei processi di produttivi. La progettabilità costituisce senz’altro la caratteristica più
"stimolante" di un materiale composito, unico tipo di materiale che può essere
realizzato nella forma definitiva e con le proprietà volute mentre viene prodotto.
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ALCUNE APPLICAZIONI DEI MATERIALI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
SETTORE INDUSTRIALE
AERONAUTICOAEROSPAZIALE
AUTOMOBILISTICO
ESEMPI
parti di ali e code, fusoliere, antenne, pale di elicottero, carrelli di
atterraggio, sedili, pavimenti, pannelli interni, serbatoi, involucri esterni e
coni terminali di razzi e missili, tubi di lancio
parti di carrozzeria, cabine per camion, spoilers, quadri comandi, pannelli
porta-strumenti, alloggiamenti per luci, paraurti, molle per sospensioni,
organi di trasmissione, ingranaggi, cuscinetti
NAVALE - MARINO
scafi, ponti, alberi, vele e relative stecche, profili strutturali, sagole di
salvataggio, boe d'ancora, protezioni per motori, pannelli interni
CHIMICO
tubazioni, serbatoi, recipienti in pressione, tramogge, valvole, pompe,
ventole e giranti, grate per pavimenti
EDILE
passerelle e ponti per traffico leggero, condotte sotterranee, recinzioni,
profilati strutturali, zoccolini corrimano, ringhiere, grondaie, profili per
finestre, elementi di rinforzo per il recupero edilizio
ELETTRICO
basette per circuiti stampati, pannelli, alloggiamenti, interruttori, isolatori,
connettori, condotte porta cavi, scale isolate, corde, tralicci, componenti
per motori e trasformatori, utensili isolati
AGRICOLO
strutture per silos e serre, palificazioni per piantagioni, recintazioni,
archetti per tunnels, scale, botti per alimenti
SPORT E TEMPO LIBERO
mazze da golf, racchette da tennis, elmetti protettivi, sci, tavole da surf e
snow-board, archi e frecce, biciclette, canne da pesca, canoe, piscine,
componenti per caravans e roulotte
La possibilità di disporre fibre
o tessuti di rinforzo nella matrice in
direzioni volute, privilegiando rigidità
e
resistenza
in
tali
direzioni,
costituisce un’opportunità unica di
progettazione e realizzazione di una
struttura, assente per gli altri tipi di
materiali. E così se per irrigidire a
flessione una trave di acciaio bisogna
aumentare le dimensioni della trave
adottando
forme
e
dimensioni
opportune, l’irrigidimento a flessione
di una trave in composito può essere
ottenuto
disponendo
le
fibre
prescelte, in quantità e direzioni
opportune, nel pezzo senza che sia per questo
Applicazione
%
Impieghi
in Europa
necessario variarne forma o dimensioni.
Trasporti
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Per esempio, l’aggiunta del 50% in volume di fibre
Costruzioni e lavori pubblici
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continue di carbonio in una matrice polimerica
Industria e agricoltura
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produrrà una struttura che presenta una rigidità
anche 2 volte superiore a quella di una struttura in
Sport e beni di consumo
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acciaio delle stesse dimensioni, con una resistenza a
Elettrici ed elettronici
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rottura 4-5 volte più alta. Inoltre la struttura in
Altro
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composito peserà circa 4 volte di meno, con chiari
vantaggi per tutte quelle applicazioni nelle quali il comportamento, l’economicità, o la
possibilità stessa di realizzazione di un manufatto dipendono dal suo peso (si pensi ai
diversi veicoli del settore trasporti).
I materiali compositi vantano un miglior rapporto peso-resistenza rispetto ad
alluminio ed acciaio e possono essere ingegnerizzati per fornire un’ampia gamma di
caratteristiche relativamente a resistenza all’impatto, tensione e flessione. La maggior
leggerezza rispetto ai materiali tradizionali si traduce in un risparmio sui costi di
stoccaggio, movimentazione, trasporto e installazione. La resistenza alla corrosione e
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all’aggressione degli agenti atmosferici tipica dei materiali compositi riduce
sensibilmente i costi di manutenzione ed estende la durata utile dei prodotti finiti. Altre
caratteristiche che agevolano il lavoro del designer sono il fatto che i materiali compositi
mantengono la loro forma originaria anche quando sono sottoposti a stress meccanici e
ad alte temperature. In pratica il designer ha la possibilità di disegnare il materiale per
venire incontro alle esigenze di forma e funzione del prodotto finito. Tutti questi motivi
consentono ai compositi di sostituire in molti impieghi i materiali tradizionali.
I materiali compositi si sono rivelati particolarmente adatti nelle applicazioni
strutturali. Il loro sviluppo è stato legato essenzialmente alle industrie aerospaziali ed
aeronautiche, dove la possibilità di utilizzare materiali ad elevate proprietà meccaniche
con un peso specifico contenuto ne ha decretato un successo straordinario. A partire
dagli anni '70 elementi strutturali in materiali compositi sono stati utilizzati in veicoli
militari, per i quali gli elevati costi di produzione non erano considerati deterrenti per
l’applicazione. Infatti l’altissimo valore aggiunto metteva in secondo piano le
considerazioni economiche relative agli elevati costi di produzione. Con lo sviluppo delle
tecnologie e la riduzione dei costi i materiali compositi hanno trovato sempre maggiori
spazi di applicazione anche nell’aviazione civile, nell’industria automobilistica,
nell’elettrotececnica e nell’edilizia.
Nel settore dell’aeronautica civile si può citare il caso dell'Airbus A-380 (vedi fig),
maxi-jet
in
grado
di
trasportare 850 passeggeri,
che, Il 28 novembre 2007
(Singapore
Airlines),
ha
effettuato il suo primo volo
commerciale da Singapore a
Sidney. Per quanto riguarda
la
struttura
di
questo
gigante dell'aria si assiste al
passaggio dalle leghe di
alluminio
come
unico
elemento nei velivoli delle generazioni precedenti al materiale composito con fibra di
carbonio e kevlar. Già in precedenza la fibra di carbonio è stata utilizzata per le superfici
mobili (alettoni, flap, timoni, elevatori) e la coda, mentre per il resto si è utilizzato
alluminio, titanio o acciaio. Per l'A380 si è utilizzato il più avanzato mix di composito e
di materiali tradizionali, cioè alluminio e un nuovo materiale, il Glare (Glassfibre
Reinforced Aluminium) con i cui pannelli è stata realizzata gran parte della superficie circa 400 metri quadri - della fusoliera e parti della coda dell'Airbus A380. Il tutto
naturalmente volto a ridurre i pesi strutturali pur in presenza di una migliorata
resistenza.
Nel campo edilizio un esempio storico delle potenzialità dei compositi è il ponte
pedonale di Aberfeldy (vedi fig.). Il ponte è interamente costruito in materiale
composito, in particolare profili in fibra di vetro con matrice poliestere. La parte
sospesa ha una lunghezza complessiva di 113 m, una campata centrale di 63 m tra due
laterali di 17,5 m. La struttura è sostenuta da due torri ad “A” in composito. La
struttura è stata installata senza l’utilizzo di gru nell’arco di sei settimane. La
carreggiata è sospesa da tiranti realizzati in composito con fibre di Kevlar.
Materiali compositi a matrice metallica
I materiali compositi a matrice metallica sfruttano in maniera sinergica le
proprietà della matrice (generalmente leggerezza, buona conducibilità termica, duttilità)
e quelle del rinforzo, di solito ceramico (elevata rigidezza, elevata resistenza ad usura,
basso coefficiente di dilatazione termica).
La scelta della matrice può essere fatta sulla base di alcune peculiarità del
materiale (resistenza alla corrosione e ossidazione, etc...).
L'alluminio, e le sue leghe, rappresenta il materiale metallico più largamente
usato come matrice; motivi di questa scelta sono: leggerezza, duttilità, bassa
temperatura di fusione e possibilità di indurimento per trattamento termico. Oltre
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all'alluminio, risultano interessanti anche il titanio ed il magnesio ed in misura minore il
rame, il piombo, il ferro e l'argento.
La scelta del rinforzo è legata al tipo di applicazione, alla compatibilità tra il
rinforzo e la matrice e alla resistenza interfacciale matrice/rinforzo. Il rinforzo è
generalmente ceramico ed in forma di ossidi, carburi e nitruri, elementi dotati di elevata
resistenza e rigidezza sia a temperatura ambiente che ad elevate temperature. Comuni
elementi di rinforzo sono: carburo di silicio (SiC), allumina (Al2O3), boruro di titanio
(TiB2), boro e grafite.
Il rinforzo particellare è la tipologia più comune ed economica. Il rinforzo
discontinuo ha un effetto positivo su proprietà quali la durezza, la resistenza all'usura,
la resistenza a fatica, la stabilità dimensionale e la resistenza alla compressione. I
materiali così rinforzati mostrano inoltre un significativo aumento della rigidezza a spese
però di una ridotta duttilità e di una minore tenacità alla frattura. Uno dei maggiori
vantaggi dei compositi a rinforzo discontinuo è la possibilità di lavorarli con le normali
tecniche di laminazione, forgiatura ed estrusione. Questi materiali rivestono particolare
interesse nel settore automobilistico in componenti quali bielle, pistoni, canne dei
cilindri, valvole, dischi dei freni., etc., nel campo dell'elettronica e delle
telecomunicazioni, e nel settore del tempo libero (articoli sportivi).
L'aspetto più attraente dei compositi con rinforzo continuo è la possibilità di
incorporare una miscela di proprietà nel materiale scelto come matrice; sono
caratterizzati da elevate doti di resistenza meccanica (in particolare a fatica) nella
direzione del rinforzo. Il costo elevato del rinforzo in forma continua, insieme alla
complessità delle tecnologie di produzione ne hanno ristretto l'utilizzo ad applicazioni in
cui sono richieste le massime prestazioni (settore aerospaziale).
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