6 I materiali compositi

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1 6 I materiali compositi Dopo un periodo di relativa stagnazione, dovuta alla contrazione delle commesse militari e, in ambito civile, alle difficoltà finanziarie incontrate da numerose compagnie aeree a seguito dei fatti del 11 settembre, l industria aeronautica, come si evince dal sottostante grafico [fonte Alenia Aeronautica, Convegno Tecnologia dei materiali compositi, Torino 04/11/2004], sta ora vivendo un periodo di grande rinnovamento legato all uso diffuso e fortemente innovativo, sia in ambito civile che militare, dei materiali compositi. Questi ultimi, sviluppati negli ultimi 20 anni hanno rivoluzionato il modo di pensare e progettare le strutture, permettendo di ottenere prestazioni (intese come rapporto peso/resistenza meccanica) altrimenti irraggiungibili. Si definiscono compositi, tutti quei materiali, non presenti in natura, caratterizzati da una struttura non omogenea costituita dall'unione di due o più elementi di differenti caratteristiche chimico-fisiche tali da renderli diversi, insolubili e separati fra loro. Ciascun costituente mantiene la propria identità senza dissolversi o fondere completamente nell'altro. Dal punto di vista strutturale il materiale composito può essere pensato come composto da due fasi: una fase fibrosa, detta rinforzo, che ha il compito di resistere alle sollecitazioni e da una fase omogenea, detta matrice, che ha invece il compito di trasferire le sollecitazioni alle fibre stesse. UNITA 1 pag. C/13

2 Il prodotto finale è un materiale solido e continuo in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime, una massa volumica decisamente bassa (il peso è notevolmente inferiore a quello di un acciaio), resistente alla corrosione e ai carichi di tipo ciclico (resistenza a fatica). L impiego delle fibre riduce di fatto la probabilità che si manifestino difetti di tipo strutturale, per cui se, ad esempio, nel fascio di fibre si verifica una rottura questa non si propagherà automaticamente a tutto il materiale, inoltre essendo le fibre immerse nella matrice, le sollecitazioni esercitate su una parte di esse vengono trasferite a tutta la massa del materiale, che acquisterà in tal modo tenacità e resistenza. Le caratteristiche dei compositi dipendono, pertanto, dalla natura della matrice e delle fibre e dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice. I compositi sono oggi largamente usati in diversi settori, in primis in campo aeronautico e aerospaziale per la costruzione di strutture e parti mobili dell ala e di fusoliere; in campo navale per la costruzione di scafi per catamarani, barche a vela, canoe; in campo automobilistico per i pannelli di carrozzeria, telai per auto di "Formula 1", balestre, parti di motore e accessori vari. Nel settore dello sport questa tecnologia viene largamente impiegata per sci, bob, racchette da tennis, biciclette, canne da pesca, aste per il salto in alto ecc..; in medicina si costruiscono, oggi, protesi di ogni tipo in composito. Esistono comunque dei limiti che rallentano la diffusione su larga scala dei materiali compositi e che sono costituiti, oltre che dall elevato costo di produzione, dalla loro scarsa resistenza superficiale all'usura e ai carichi concentrati e a diverse problematiche di smaltimento e riciclaggio. Volendone sintetizzare i vantaggi e gli svantaggi in una tabella riepilogativa si ottiene: VANTAGGI Leggerezza e quindi ridotto consumo di carburante rispetto alle strutture convenzionali Resistenza alla corrosione Eccellente comportamento a fatica Possibilità di produrre pezzi con geometrie complesse Possibilità di progettare il materiale per il tipo di sollecitazione orientando le fibre Riduzione del numero di pezzi da assemblare SVANTAGGI Elevato costo Mancanza di esperienza consolidata nell utilizzo Difficoltà di giunzione con pezzi metallici Suscettibilità agli agenti atmosferici Scarsa resistenza superficiale all'usura e ai carichi concentrati Complesse tecniche di ispezione Problemi di smaltimento e riciclaggio UNITA 1 pag. C/14

3 6.1 Principali tipi di fibre Le fibre sono costituite da corpi solidi resistenti di forma allungata, aventi dimensione longitudinale prevalente su quella trasversale ed hanno il compito di fornire resistenza e rigidezza al composito. La maggiore o minore capacità del composito di resistere ai carichi esterni è legata all orientamento delle fibre che preferibilmente dovranno essere disposte secondo le direzioni di massima sollecitazione. Per ottenere caratteristiche di continuità e resistenza le fibre si riuniscono in fili a fibre parallele o attorcigliate. Un determinato numero di fili viene quindi attorcigliato a trefolo. I trefoli, a loro volta, possono essere intrecciati fra loro originando i tessuti che possono essere di vario tipo: a fili biassiali, triassiali, oppure a maglia. Si fa notare che i tessuti differiscono per la disposizione delle fibre, ma la loro giacitura è bidimensionale, cioè disposte su un unico piano. E possibile, inoltre, realizzare tessuti nei quali l intreccio dei fili avviene tridimensionalmente nello spazio, secondo le direzioni di massima sollecitazione. Prima di essere impregnati nella matrice i tessuti vengono tagliati secondo la forma e le dimensioni previste. Le principali fibre comunemente impiegate in campo aeronautico sono quelle di vetro, carbonio, boro, aramidiche (kevlar) e le fibre ceramiche. UNITA 1 pag. C/15

4 Fibre di Vetro (1946) Vengono ottenute per trafilatura dando luogo a fili piuttosto lunghi che trattati chimicamente, per migliorare le caratteristiche di scorrevolezza, vengono avvolti a bobina su un fuso e messi in commercio. Le fibre di vetro hanno come caratteristiche positive un basso costo di produzione, elevata resistenza meccanica e bassa densità, come caratteristiche negative un basso modulo di elasticità e bassa rigidità, che comportano elevate deformazioni sotto l applicazione di carichi. In campo aeronautico le fibre di vetro vengono impiegate con resine poliestere (vetroresina) per la sportelleria, carenature,.. Fibre di Boro (1965) A parità di densità con le fibre di vetro, le fibre di boro offrono un modulo di elasticità 5 volte maggiore, una elevata durezza, un alto punto di fusione e una moderata resistenza alla corrosione. Tuttavia la tecnologia di fabbricazione delle stesse è molto costosa, fattore che insieme alla sua alta densità, ne ha determinato un sostanziale abbandono. Fibre di Carbonio grafitico (1964) Sono subentrate alle fibre di boro a causa del loro alto costo e della poco attitudine a lasciarsi plasmare su forme e stampi. Sono attualmente quelle di maggiore impiego nel settore aerospaziale perché presentano ottime qualità quali un basso peso specifico, un basso coefficiente di dilatazione, un alta resistenza e un alta rigidezza specifica. Fibre aramidiche (Kevlar) (1975) Il kevlar è una fibra aramidica ad alta tenacità nettamente superiore alle alte fibre dal punto di vista della resistenza all impatto e per quanto riguarda la propagazione delle cricche e per le sue qualità di smorzamento delle vibrazioni. Ha inoltre la più alta resistenza specifica alla trazione ed un basso peso specifico e pertanto trova largo impiego nella costruzione di strutture aeronautiche secondarie e semiportanti quali bordi di attacco di ali, impennaggi, cellule motore, serbatoi,.. ecc Inoltre per queste caratteristiche, in forma di tessuto, sui utilizza nella produzione di giubbotti antiproiettile e nelle funi ad alta resistenza. Fibre ceramiche (carburo di silicio) Si tratta di fibre in carburo di silicio, che essendo di natura ceramica possiedono un elevata resistenza meccanica e sono trasparenti alle onde elettromagnetiche nella banda radar. Tali fibre possono essere distribuite uniformemente in matrici di lega leggera di alluminio, consentendo di ottenere un incremento di rigidezza del 50% rispetto a quella del materiale metallico di base. A tale caratteristica, però, si somma una certa fragilità dovuta ad una bassa deformabilità. UNITA 1 pag. C/16

5 6.2 Principali tipi di matrici Per poter sfruttate al meglio le caratteristiche resistenti delle fibre, quest ultime vengono affogate in una matrice che, agendo come un materiale di riempimento, è inizialmente allo stato di fluido viscoso per poter riempire tutti gli spazi ed aderire perfettamente alle fibre, per poi subire un processo di solidificazione che consente di dare stabilità e geometria alla struttura. Il compito fondamentale della matrice è quello di trasferire alle fibre i carichi applicati. Le forze di sollecitazione sulle fibre, se ipotizziamo perfetta aderenza tra fibre e matrice e quindi assenza di scorrimento reciproco, sono forze puramente di taglio. Ovvero la trasmissione dei carichi avviene per effetto di tensioni tangenziali. Ovviamente la matrice assolve anche ad altre funzioni quali quelle di mantenere le fibre in posizione, proteggere la superficie delle fibre da danni e dalla corrosione. Le matrici possono essere di diverso tipo e classificate in funzione del valore delle temperature massime di impiego alle quali possono essere adoperate senza dover subire fenomeni di degradazione. I valori di tali temperature di utilizzazione sono direttamente collegati a quelle delle velocità di volo dei velivoli sui quali le matrici stesse vengono utilizzate. In funzione dei campi di temperatura citati si hanno matrici con temperature di lavoro inferiore a 150 C, adatte per impieghi in velivoli con velocità inferiore a M=1, matrici per temperature comprese tra 150 C e 250 C adatte per impieghi su velivoli con velocità compresa tra 1<M<2 e infine matrici per temperature superiore a 250 C per velocità oltre M=2. UNITA 1 pag. C/17

6 I principali tipi di matrici oggi operanti sono quelle polimeriche, metalliche e ceramiche. 1) Matrici polimeriche Sono costituite da resine termoindurenti quali le resine epossidiche e quelle poliestere. Come materiali di rinforzo si impiegano in genere le fibre di vetro, carbonio o aramidiche. Resine epossidiche costituite da materie plastiche termoindurenti che solidificano con l innalzamento della temperatura. Vengono adoperate con le fibre di vetro e quelle di carbonio. Le matrici epossidiche sono le più importanti poiché risultano quelle che hanno le proprietà meccaniche migliori, ottima adesione alle fibre, buona resistenza chimica e una buona stabilità termica. Resine poliestere anche esse sono costituite da materie plastiche termoindurenti, hanno discrete caratteristiche meccaniche fino a 250 C, vengono adoperate specialmente insieme alle fibre di vetro, dando luogo alal vetroresina, e sono caratterizzate da un basso costo di produzione. 2) Matrici metalliche Sono realizzate con l alluminio, il magnesio, il titanio, e impiegano come elementi di rinforzo le fibre di carbonio o di boro. Hanno caratteristiche migliori di quelle polimeriche ma risultano molto più pesanti. I problemi più rilevanti nell utilizzo di tali matrici sono relativi all interfaccia con le fibre, che richiede l uso di metalli che sono liquidi a temperatura non compatibili con l integrità delle fibre. Per facilitare l operazione ed evitare danni, il metallo viene interposto tra le fibre sotto forma di polveri o fogli sottili. 3) Matrici ceramiche Le matrici ceramiche sono costituite da carburi, nitruri di silicio e ossido di alluminio. Si tratta di materiali refrattari, difficilmente fusibili, che permettono di superare il limite costituto dalle elevate temperature, infatti mantengono le loro caratteristiche fino a 2000 C. Hanno però una bassa tenacità (fragili) che viene compensata dalle fibre di rinforzo. I compositi ceramici vengono studiati per essere impiegati nella costruzione di parti calde, il cui funzionamento avviene a temperature dell ordine di oltre 1000 C: componenti di motori automobilistici ed aeronautici, ugelli di scarico, ed in campo trans-atmosferico, per strutture di rivestimento, come il muso ed i bordi d attacco delle navette spaziali. 6.3 Dalla lamina al laminato Un laminato metallico è un materiale ibrido costruito alternando fogli di composito e di metallo, ad esempio, fogli di alluminio a strati unidirezionali di fibre di vetro impregnati con adesivo a base epossidica (vetroresina). Gli strati alternati vengono poi depositati in uno stampo che segue la forma della parte a curvatura singola o doppia. Completata la laminazione, viene applicato un sacco, tirato il vuoto ed effettuata la cura in autoclave. Un esempio molto importante di recentissima applicazione è il GLARE. UNITA 1 pag. C/18

7 Il GLARE, appartenente alla categoria dei Fibre Metal Laminates, è un laminato ibrido composito/metallo che, grazie alle sue eccellenti proprietà, avrà in futuro un impiego sempre più diffuso. Anche l Airbus, nella progettazione e produzione del super jumbo A380 ha sposato la filosofia dei materiali compositi, realizzandone la fusoliera in GLARE. Tale materiale è costituito dalla stratificazione di sottili lamiere di lega di alluminio e lamine in composito (vetro, aramidico, carbonio) e presenta eccellenti prestazioni in termini di riduzione del peso ed aumento della resistenza alla fatica, al fuoco, all umidità ed agli impatti. il GLARE è un laminato ibrido composito/metallo Airbus A380: i pannelli di fusoliera sono realizzati in GLARE UNITA 1 pag. C/19

8 6.4 Le strutture a sandwitch (metallo -nido d ape) La struttura a sandwitch è un particolare materiale composito costituito da due fogli (lamiera o laminato) chiamati facce separati da un anima interna chiamata cuore o core, che può essere costituita da schiuma di plastica espansa, balsa, compensato con struttura a nido d ape (cioè con struttura a celle esagonali). In una struttura sandwich il compito dell anima e dunque quello di mantenere le facce alla distanza prescritta mentre le facce devono resistere sia a trazione che a compressione senza che si verifichino rotture o distorsioni. L unione delle facce al cuore avviene attraverso un adesivo (materiali polimerici tipicamente termoindurenti e generalmente in forma di film). La struttura sandwich può essere realizzata sia sotto forma di pannelli, oppure può costituire la struttura finale, come nel caso di un impennaggio o di una superficie mobile di piccole dimensioni; 6.5 Produzione dei materiali compositi Le parti strutturali in materiale composito vanno sempre più diffondendosi e la loro realizzazione, in campo aeronautico, viene effettuata secondo processo produttivi che devono garantire le seguenti condizioni: Dare il dovuto orientamento agli strati delle fibre sovrapposte, rispettando la geometria del pezzo; Rispettare le condizioni di temperatura e pressione del processo di polimerizzazione, realizzando livelli minimi di porosità interna ed il grado di finitura superficiale richiesto. la massima economicità La scelta del metodo più conveniente è legato alla geometria e alle dimensioni del pezzo da costruire e dipende dalle caratteristiche di resistenza strutturale che il pezzo dovrà possedere in opera. Le tipiche di strutture composite in campo aeronautico sono quelle ottenute attraverso: 1. Polimerizzazione su stampo in autoclave (laminato solido) Viene utilizzata per manufatti di superficie estesa, piana o curva e di forma aperta. La realizzazione avviene disponendo il materiale preimpregnato di partenza in stampi aperti (stampi di laminazione) UNITA 1 pag. C/20

9 che vengono successivamente trattati in autoclave, con un processo di polimerizzazione a pressioni e temperatura determinate. 2. Polimerizzazione in forno Le parti costruttive poco impegnative, alle quali è richiesta una resistenza strutturale poco elevata, vengono realizzate mediante processi di polimerizzazione in forno a pressione atmosferica, senza compressione. L azione meccanica di compattamento del materiale è dovuta alla depressione realizzata nel sacco di nylon a tenuta che contiene il materiale. Tale procedimento è più semplice, ma meno costoso del precedente. 3. Filament Winding La lavorazione viene realizzata da macchine avvolgitrici, nelle quali un mandrino di forma opportuna viene mosso da un motore elettrico e sul quale viene avvolta la fibra, impregnata di resina. Durante l avvolgimento si verifica la polimerizzazione. Tale tecnica si presta bene per realizzare parti caratterizzate da superfici ad andamento cilindrico o parti di forte allungamento, a sezione trasversale, ma non circolari (profili alari per pale d elicottero ), radome dei velivoli supersonici, costruzione di serbatoi in pressione e in tutti quei casi in cui le tensioni principali sono di tipo circonferenziale. UNITA 1 pag. C/21

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