MATERIALI COMPOSITI La tecnologia è oggi fortemente condizionata dalla possibilità di disporre di nuovi materiali in grado di soddisfare le richieste

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1 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 1

2 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. 2

3 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. 3

4 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. 4

5 ALCUNE APPLICAZIONI DEI MATERIALI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA SETTORE INDUSTRIALE AERONAUTICO- AEROSPAZIALE AUTOMOBILISTICO NAVALE - MARINO CHIMICO EDILE 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 scafi, ponti, alberi, vele e relative stecche, profili strutturali, sagole di salvataggio, boe d'ancora, protezioni per motori, pannelli interni tubazioni, serbatoi, recipienti in pressione, tramogge, valvole, pompe, ventole e giranti, grate per pavimenti 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 AGRICOLO basette per circuiti stampati, pannelli, alloggiamenti, interruttori, isolatori, connettori, condotte porta cavi, scale isolate, corde, tralicci, componenti per motori e trasformatori, utensili isolati 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 Impieghi Applicazione in Europa % opportune, nel pezzo senza che sia per questo necessario variarne forma o dimensioni. Trasporti 33 Per esempio, l aggiunta del 50% in volume di fibre Costruzioni e lavori pubblici 31 continue di carbonio in una matrice polimerica Industria e agricoltura 14 produrrà una struttura che presenta una rigidità Sport e beni di consumo 10 anche 2 volte superiore a quella di una struttura in Elettrici ed elettronici 8 acciaio delle stesse dimensioni, con una resistenza a rottura 4-5 volte più alta. Inoltre la struttura in Altro 4 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 5

6 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 6

7 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 (Al 2 O 3 ), boruro di titanio (TiB 2 ), 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). 7