Capitolo primo. I Materiali Compositi

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1 Introduzione. I materiali compositi hanno assunto negli ultimi trent anni un importanza crescente grazie alle loro elevatissime proprietà fisico-meccaniche che consentono applicazioni strutturali in svariati ambiti. L Italia eccelle nella produzione di attrezzi ed articoli sportivi ad alta tecnologia nei quali si fa largo uso di materiali compositi avanzati. La continua ricerca e l innovazione tecnologica in questo settore hanno riconosciuto a tali materiali un ruolo di primaria importanza, non solo da un punto di vista tecnologico, poiché essi non sono sostituibili dai materiali tradizionali, ma anche da un punto di vista commerciale, essendo oggetto di una crescente domanda. Le applicazioni, un tempo riservate ai settori ad alta tecnologia quali quelli aerospaziale, aeronautico e militare, che notoriamente hanno elevate disponibilità finanziare, si sono largamente diffuse in altri ambiti e pare che tale diffusione sia destinata a coinvolgere sempre maggiormente anche settori che producono beni di consumo. L analisi tecnologica dei materiali compositi, in particolare di quelli cosiddetti avanzati, caratterizzati dalle migliori proprietà fisico-meccaniche, consente di evidenziare le ragioni che li rendono idonei ad applicazioni strutturali, con particolare riferimento al settore sportivo. Risulta essenziale distinguere all interno di quest ultimo le diverse discipline sportive poiché non in tutte si adoperano attrezzi ed inoltre non tutti gli attrezzi sportivi sono realizzati necessariamente con materiali compositi. Sicuramente fra gli ambiti in cui non si può prescindere dall impiego di questi materiali e nei quali ciò diventa rilevante anche dal punto di vista commerciale possiamo annoverare il ciclismo, lo sci, l automobilismo, il tennis, la pesca sportiva, la canoa, il tiro con l arco ed altri sport in cui sia necessario poter disporre di attrezzi leggeri nervosi e resistenti.

2 Capitolo primo I Materiali Compositi 1.1 Definizione e tipi di materiali compositi. Per materiali compositi, in linea generale, si intende il risultato della combinazione di due o più materiali in modo da ottenere un sistema, cioè un tutto inscindibile ed integrato, dotato di caratteristiche differenti e non raggiungibili dai componenti singoli [1, 2]. Il termine materiale composito copre una varietà veramente ampia di forme. Per esempio un elemento in calcestruzzo può essere considerato un composito, così come può esserlo un circuito stampato di un televisore. Tuttavia, ai fini di questa discussione, l accento sarà posto sui materiali compositi tecnici con l esclusione dei materiali usati in elettronica e nelle costruzioni civili. Possono essere escluse anche le costruzioni composite come, per esempio, un foglio di materia plastica ricoperto con una pellicola metallica a fini decorativi o di rinforzo; questi casi possono essere ascritti alla definizione di struttura composita piuttosto che di materiale composito. Quest ultimo viene qui considerato come un materiale in cui esiste una fase continua, detta matrice, che di solito rappresenta la maggiore quantità del totale in peso o in volume e che contiene isole disperse e discontinue di una seconda fase, che normalmente è costituita da un rinforzo di tipo fibroso [1-4], ed è quella fondamentale ai fini delle proprietà del materiale. Si tratta di una massa di materiale plastico, metallico, ceramico o vetroso che potrebbe anche sussistere a sé, ma che ha le proprie caratteristiche modificate dall inclusione di particelle, fibre o tessuti. La vasta gamma dei materiali della seconda fase che possono essere incorporati e i modi in cui essi possono essere dispersi (in forma casuale oppure con un'orientazione preferenziale) offrono una vastissima scelta di opzioni nella ottimizzazione di ogni composito scelto e nella realizzazione delle combinazioni, richieste a fini progettuali, di caratteristiche fisico-meccaniche. I compositi possono essere materiali naturali, come ad esempio il legno (costituito in prevalenza da cellulosa e lignina) o sintetici [5], ovvero preparati per sintesi e ottenibili in linea di massima con l aggiunta di un agente riempitivo (filler) ad una matrice; tra il filler e la matrice viene a stabilirsi una interazione che conferisce al nuovo materiale composito proprietà singolari e superiori (altrimenti non si avrebbe alcun vantaggio nella realizzazione dei materiali compositi) a quelle delle singole componenti [1]. Il materiale in forma di particelle disperse nella matrice può avere una gamma di dimensioni che va da quelle più piccole, nelle leghe, fino a quelle più grandi che possono essere costituite da fiocchi relativamente grandi o da microsfere di metalli o di vetro. Analogamente la lunghezza nominale delle fibre di vetro incorporate nei compositi può variare fra 2 e 10 mm e più; questa 2

3 dimensione può essere considerevolmente aumentata quando vengono incorporati feltri 1 di fibra tagliata oppure interi pezzi di tessuto [5]. Questi rinforzi uni e bi-dimensionali sono poi trasformati in concreto anche in forme tridimensionali, per esempio quando un filamento di fibra di rinforzo viene avvolto su un mandrino per fabbricare un tubo. Come regola generale, i materiali che contengono una quantità molto piccola della fase del materiale disperso (come, per esempio, le materie plastiche cui vengono aggiunti composti per ritardare la combustione o soppressori di fumo, oppure i metalli in cui si ha la presenza accidentale di qualche impurità), non sono considerati materiali compositi. Il termine composito, come già detto, viene utilizzato in quest ambito per indicare il derivato di un'aggiunta deliberata di una fase dispersa in quantità che varia da pochi punti percentuali sino a circa il 60%, fase dispersa che di solito ha maggior durezza della matrice e che viene aggiunta allo scopo di ottenere alcuni netti miglioramenti di qualche specifica caratteristica. Ciò consente di poter progettare un materiale innovativo, con particolari caratteristiche, come ad esempio la leggerezza, la resistenza agli agenti atmosferici o la rigidità, e poi, solo successivamente, realizzarlo praticamente [1, 3, 5, 6]. In ogni caso il materiale composito deve essere formulato in modo tale che si possa verificare una buona adesione fra il materiale di rinforzo e la matrice; ciò può essere ottenuto o per naturale quanto casuale affinità, oppure, con maggiore affidabilità, utilizzando agenti leganti che agiscono da fondo (primer) sulla superficie del materiale della fase dispersa. La tabella n.1 evidenzia alcuni tipi di materiali compositi con le relative applicazioni. 1 I feltri di fibra tagliata sono una delle forme fisiche, diverse dai tessuti, mediante le quali possono essere inclusi i materiali di rinforzo nella matrice. 3

4 Tabella 1. Vari tipi di materiali compositi e loro applicazioni. Rinforzo o carica Matrice Alcuni impieghi Fibre di carbonio Plastiche ad alta Prodotti aerospaziali, prodotti resistenza sportivi Fibre di ceramica Metalli Conduttori ad alta resistenza elettrica Fibre di vetro Calcestruzzo, Gesso Pareti Fibre di metallo Plastica Per rendere conduttiva la plastica a fini di schermatura elettrica Fibre di plastica Plastica Pezzi stampati, elementi di rinforzo dei cavi. Particelle di nerofumo Gomma Usato come riempitivo e protezione da radiazioni UV Particelle di ceramica Plastica Per modificare la costante dielettrica. Particelle di vetro Plastica Microsfere di vetro vengono incorporate per riempire gli spazi e per ridurre la densità Particelle metalliche Metalli Depositati come grani fini nelle leghe indurite per precipitazione. Particelle di metallo Plastica Usata in forma di fiocchi a scopi decorativi o elettrici Particelle minerali Plastica Riempitivi generalmente poco costosi che aumentano la rigidezza. Particelle organiche Plastica Viene aggiunto amido per rendere biodegradabili i sacchetti di plastica Particelle di gomma Plastica Precipitata con mezzi chimici nelle plastiche complesse per migliorare la resilienza Particelle di legno Plastiche fenoliche Come rinforzo per migliorare la resistenza meccanica Fogli di tessuto di Poliesteri Usato per fabbricare pannelli vetro rinforzati per edifici e veicoli Maglie plastiche stampate Tessuto di fibre naturali Fonte: Elaborazione da [1]. Plastiche Resine termoindurenti Un interstrato di irrigidimento per produrre fogli per uso agricolo e fogli leggeri di copertura per edifici Per costruire robusti laminati usati come cuscinetti e per applicazioni elettriche quali gli isolatori 4

5 1.2 Classificazioni. La classificazione dei materiali compositi può essere effettuata sulla base di molteplici criteri. In questa sede si ritiene opportuna una classificazione relativa al tipo dei componenti che vengono impiegati nella realizzazione del materiale composito stesso, con particolare riferimento al tipo di matrice e al tipo di fibra di rinforzo. Poiché fra le due fasi, la matrice ed il rinforzo fibroso, quella che caratterizza maggiormente il tipo di composito, relativamente al campo di possibili applicazioni (e non relativamente alle effettive proprietà del materiale), è la matrice, si usa comunemente classificare i materiali compositi in base alle caratteristiche di quest ultima. Possiamo quindi distinguere compositi polimerici, metallici e ceramici. I compositi polimerici o FRP (Fiber Reinforced Plastic, o compositi fibrosi) sono quelli in cui la matrice è plastica e la fase che costitutisce il rinforzo è a base di fibre sintetiche; gli esempi più noti di compositi fibrosi sono il GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic, o vetroresina) e il CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic, o carboresina). I compositi fibrosi dalle migliori prestazioni meccaniche sono definiti compositi avanzati [1, 3] e il loro impiego è fortemente cresciuto nel corso dell ultimo decennio, soprattutto in settori ad alta tecnologia come quello aerospaziale o quello nucleare [11]. I compositi polimerici possono essere distinti in termoindurenti e termoplastiche. I termoindurenti induriscono per azione del calore e di un catalizzatore, assumendo una consistenza rigida permanente. I più diffusi sono le resine epossidiche, poliuretaniche e fenoliche. I termoplastici sono caratterizzati dall avere una malleabilità reversibile, cioè fondono per azione del calore e solidificano per raffreddamento. I compositi metallici sono rappresentati da tutti i tipi di composito in cui la matrice è costituita da un materiale metallico. La differenza sostanziale fra compositi plastici e metallici può essere individuata nelle diverse caratteristiche meccaniche di una resina da un lato e di un metallo dall altro, e quindi nella diversità di tutte quelle proprietà del composito che dipendono principalmente dalla matrice piuttosto che dalle fibre. Tali sono ad esempio la resistenza alla temperatura e le proprietà meccaniche in direzioni diverse da quella dell asse delle fibre. I compositi plastici non possono sopportare temperature di esercizio troppo alte, mentre un composito metallico può essere impiegato anche con temperature più elevate, a seconda del tipo di metallo che costituisce la matrice e purché naturalmente le fibre permettano tale temperatura. La suddivisione principale che può indicarsi per le applicazioni dei compositi plastici, metallici e ceramici è relativa ai campi di temperature in cui essi possono venire adoperati: la temperatura di esercizio è infatti limitata più 5

6 dal tipo di matrice che non dal tipo di fibre, in quanto la prima deve poter essere solida e non viscosa in modo da poter trasmettere gli sforzi esterni al rinforzo fibroso. I compositi plastici sono utilizzabili fino a circa 150 C con resine normali, o a temperature molto superiori (oltre i 2000 C) con resine particolari ancora in fase sperimentale [12]. Il problema comune a tutti i tipi di compositi metallici consiste nelle reazioni di corrosione reciproca che avvengono tra la matrice e le fibre di rinforzo, a temperature in genere molto inferiori a quelle massime permesse dalla matrice. Esiste quindi per i compositi metallici la necessità di individuare la durata e la resistenza di un composito in funzione della temperatura di esercizio. Inoltre i metalli, a caldo, sono soggetti al creep, o scorrimento di tipo viscoso, sotto carichi inferiori ai limiti elastici [12], e ciò può compromettere la resistenza del composito stesso. Benché uno dei vantaggi del rinforzo con fibre sia quello di aumentare la resistenza alle deformazioni per creep, occorre notare che questo fenomeno negativo non è annullato del tutto e quindi può rappresentare un possibile punto debole per le strutture composite. Generalmente un composito metallico ha un peso specifico superiore rispetto ad un composito plastico: questo svantaggio può essere almeno in parte superato poiché, a parità di altre caratteristiche, sono necessari per i compositi metallici spessori minori. Fra i compositi metallici più diffusi possono essere annoverati quelli di boro-alluminio, le cui applicazioni sono però limitate sia dalla scarsa esperienza, sia dai costi relativamente alti delle fibre di boro. Le applicazioni principali di questo tipo di materiali riguardano il settore aeronautico ed aerospaziale. I compositi ceramici nascono dalla fiducia nella possibilità di ottenere nuovi materiali che combinino sinergicamente i pregi dei materiali ceramici ed il principio dei compositi, eliminando i più gravi difetti di entrambi. È noto che i materiali ceramici, in passato, non potevano essere impiegati per la realizzazione di elementi strutturali a causa principalmente della fragilità presentata dal tipo di struttura cristallina, a legame ionico o covalente, che non permette possibilità di deformazione plastica. Tutto ciò è dovuto al fatto che, in genere, non è possibile ottenere con le normali tecnologie produttive un materiale ceramico completamente compatto; poiché la porosità presente genera un elevato numero di intagli, le caratteristiche meccaniche del materiale sono penalizzate [12]. Legata alla presenza di intagli e alla fragilità è la bassa resistenza a shock termici: le variazioni brusche di temperatura provocano deformazioni e ritiri che danno origine, in pochi cicli termici, a micro o macrofratture che comportano la completa frantumazione della struttura. L introduzione di fibre ad alta resistenza in una matrice ceramica sembra essere l unico sistema concreto che permetta una radicale trasformazione delle proprietà meccaniche possedute da un ceramico, essendo completamente variato il meccanismo di assorbimento di un eventuale carico esterno, rispetto alla sola matrice, per la presenza delle fibre. Al riguardo, un ruolo importante è giocato dal tipo di legame esistente fra fibre e matrice, in quanto questo è responsabile dell andamento della linea di frattura all interno del composito e quindi delle caratteristiche di fragilità del materiale. Inoltre la presenza di elementi fibrosi nella matrice, specialmente se questi sono migliori conduttori 6

7 termici, ha la capacità di distribuire più uniformemente le temperature durante le variazioni dovute a shock termici o a raffreddamento in fase di fabbricazione. Tra i pericoli maggiori per la riuscita e per le proprietà possedute dal composito, alla fine del ciclo di lavorazione, rimane quello conseguente alla porosità della matrice che permette a gas corrosivi di penetrare all interno del composito stesso ed eventualmente di intaccare le fibre, oltre a rappresentare un elemento di debolezza strutturale. Negli ultimi vent anni hanno avuto un notevole sviluppo due nuove classi di materiali ceramici: le fibre ed i compositi ceramici rinforzati con fibre. I materiali ceramici in generale, e i compositi ceramici in particolare, presentano elevata resistenza all usura, refrattarietà ed inerzia chimica. La loro bassa densità li rende idonei per applicazioni strutturali. A queste caratteristiche positive si contrappone, nel caso dei materiali ceramici, una eccessiva rigidità che li rende fragili alle sollecitazioni meccaniche. A questo difetto si è potuto ovviare con la tecnica dei materiali compositi rinforzati con fibre, in modo da combinare le caratteristiche pregiate dei ceramici con quelle complementari dei materiali di rinforzo. I materiali ceramici sono utilizzati prevalentemente in forma di fibra, ma di recente si stanno sviluppando anche compositi in cui essi costituiscono la matrice. Alla produzione di fibre e compositi sono interessati i seguenti materiali: vetro, carbonio, grafite, boro, carburo di silicio, allumina, zirconia, boruro di titanio, carburo di boro, nitruro di boro, nitruro di silicio, mullite ed altri [6]. Per quanto riguarda le fibre, queste sono di tipo amorfovetrose, policristalline o monocristalline (whiskers 2 ). 2 Sono sostanzialmente fibre monocristalline di grafite, cilindriche, costituite ciascuna da una sottile lamina arrotolata intorno all asse maggiore. 7