I differenti materiali differiscono per le caratteristiche meccaniche e fisiche.

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1 MATERIALI COMPOSITI I differenti materiali differiscono per le caratteristiche meccaniche e fisiche. I METALLI hanno forma cristallina e forti legami molecolari (legame metallico), che danno loro resistenza e rigidezza elevate. I POLIMERI presentano invece legami covalenti, meno forti, e hanno dunque rigidezza inferiore. Tuttavia, sono poco costosi, e si lavorano con relativa facilità. I CERAMICI e i VETRI hanno struttura cristallina o amorfa, sono molto resistenti ma anche estremamente fragili. È possibile compensare le diverse caratteristiche dei diversi materiali con la fabbricazione di materiali compositi. Essi sono ottenuti dalla combinazione di due o più materiali fra loro insolubili che mantengono la loro integrità; sono utilizzati normalmente per avere i vantaggi dei materiali componenti e produrre una sostanza su misura per l applicazione specifica. Anche in natura si trovano esempi di materiali compositi, quali le ossa, costituite da elementi resistenti in una matrice fragile, e il legno, la cui matrice duttile è rinforzata da fibre di cellulosa. Un altro esempio è il cemento armato, costituito da una matrice resistente e rigida, il calcestruzzo, nella quale sono dispersi elementi elastici nella forma di tondini di acciaio, che conferiscono resistenza a flessione e trazione, mentre il calcestruzzo resiste bene alla compressione. In un composito si chiama matrice il materiale, generalmente più tenero, in cui sono disperse le fibre, che prendono invece il nome di rinforzo; la classificazione si compie proprio in base al rinforzo, non secondo la sua composizione, ma secondo la sua struttura fisica. Figura 1 - Materiali compositi: (a), a particelle disperse; (b), a fibre corte disperse; (c) a fibre lunghe allineate. Si distinguono infatti: Compositi a particelle disperse, come l allumina, che presentano normalmente un comportamento isotropo. L efficacia di un simile rinforzo dipende fortemente dalle proprietà dei componenti: o Con una matrice fragile, si utilizzano particelle duttili per avere una resistenza comunque elevata e guadagnare deformabilità. o Con una matrice duttile, invece, si preferiscono rinforzi estremamente resistenti e fragili, per accrescere la resistenza mantenendo la tenacità. È il caso della Corso di Costruzione di Macchine 2 Introduzione ai Materiali Compositi. 1

2 diffusione di allumina (ossido di alluminio, Al 2 O 3 ) in una matrice di alluminio (Al). Le proprietà risultanti, come sempre per i compositi, variano al variare delle percentuali di matrice e rinforzo. Compositi a fibre: sono molto diffusi, perché presentano caratteristiche positive, in particolare la resistenza elevata e il basso peso. Molti materiali sono resistentissimi quando si trovano sotto forma di rinforzo: il vetro, per esempio, considerato normalmente fragile e poco resistente, ha Rm=170 MPa nella forma classica, ma arriva a 3500 MPa in fibre di diametro inferiore ai 100 µm. Allo stesso modo si comportano la grafite e il carbonio. Le fibre tuttavia non sopportano carichi di compressione, perciò serve un materiale che funga da matrice per distribuire le sollecitazioni sul rinforzo uniformemente, e che protegga le fibre dal contatto con ambienti aggressivi. Le fibre, a seconda della dimensione, possono essere o Corte, con ø = 1 10 µm, L = ø, sia disposte casualmente che orientate. I compositi a fibre corte disperse dividono, con i compositi a particelle, le proprietà di isotropia. Quelli a fibre allineate invece sono anisotropi, in particolare spesso sono ortotropi. o Lunghe, allineate fra loro: un caso naturale sono le fibre di cellulosa nella lignina, che conferiscono resistenza elevata ma solo nella direzione delle fibre, mentre in tutte le altre la resistenza rimane molto bassa. È frequente il caso in cui la matrice sia una resina, con buona duttilità e leggerezza (la massa volumica varia dal 15 al 25% di quella dell acciaio) unita a fibre molto resistenti in vetro, carbonio o altre sostanze polimeriche quali il kevlar. o Laminati: i compositi a fibre lunghe vengono sovente combinati per uniformare la resistenza nelle diverse direzioni, realizzando sovrapposizioni di strati con le fibre orientate diversamente e ottenere un laminato con proprietà simili in tutta una giacitura. Un problema frequente di queste strutture è la delaminazione, cioè il distacco di uno o più strati, che si può equiparare a un difetto puntuale, o una cricca microscopica, che si propaga su una direzione preferenziale nel materiale. La frattura può avanzare fra due diversi strati, che si separano come fogli di carta, o perpendicolarmente alle fibre: il risultato dipende dal comportamento della fibra, che può sfilarsi dalla matrice, o restare intatta e unire le due parti, nel caso in cui la frattura si sia propagata alla superficie di interfaccia fra i due componenti. o Sandwich: sono formati da strati di compositi a fibre, frapposti ai quali si trovano strati di elementi a nido d ape o spugne rigide, per ottenere una buona compensazione delle rigidezze. Un applicazione caratteristica è quella dei paraurti d automobile, costruiti con questa tecnologia. Corso di Costruzione di Macchine 2 Introduzione ai Materiali Compositi. 2

3 Figura 2 - Schema di composizione di un laminato (a); (b), tipico laminato composito metallico-polimerico, Arall (lamine di alluminio con strati di resina epossidica e kevlar). Un altra classificazione si può compiere in base alla matrice, a seconda che sia Metallica Ceramica Polimerica Le diverse proprietà dei materiali vanno scelte in base all applicazione. Corso di Costruzione di Macchine 2 Introduzione ai Materiali Compositi. 3

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5 Figura 3 - Comparazione fra le resistenze di metalli e compositi di diversa natura. Bibliografia Vergani, L. Meccanica dei Materiali, Mc-Graw Hill, Milano, Corso di Costruzione di Macchine 2 Introduzione ai Materiali Compositi. 5