Generalità sui materiali compositi

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1 I materiali compositi sono realizzati combinando due o più materiali per ottenere proprietà fisiche o chimiche superiori rispetto a quelle dei loro costituenti. I primi studi relativi a materiali di questo tipo sono stati effettuati all inizio del secolo in campo aeronautico; l obiettivo era ottenere materiali leggeri e resistenti. Attualmente i materiali compositi vengono utilizzati per numerosissime applicazioni, che vanno dall automobilismo alla nautica. Settore Nautico Aeronautico Automobilistico Edile Sportivo Applicazione Scafi, vele, ponti, profili strutturali, alberi, cordame Parti di ali, code, fusoliere, pannelli interni, pale di elicottero Parti di carrozzeria, spoilers, cabine per camion, pannelli porta strumenti Condotte sotterranee, elementi di rinforzo per il recupero, recinzioni Canne da pesca, mazze da golf, biciclette, sci, canoe, racchette da tennis Generalmente sono costituiti da una fase continua, detta matrice, e una fase dispersa, detta rinforzo, che possiede caratteristiche meccaniche più elevate. I materiali compositi vengono di solito classificati sulla base del tipo di rinforzo e dalla sua struttura: 1) Rinforzo Fibre lunghe continue - fibre orientate unidirezionalmente - fibre orientate bidirezionalmente - fibre con orientazione casuale Fibre discontinue - orientazione casuale - orientazione preferenziale 3

2 Particelle o whiskers - orientazione casuale - orientazione preferenziale 2) Configurazione del laminato Unidirezionale (varie lamine sovrapposte con la stessa orientazione) Multidirezionale (le lamine hanno orientazioni differenti) 3) Struttura ibrida Materiali diversi in vari strati Rinforzi diversi in uno stesso strato I materiali compositi fibrorinforzati sono i più utilizzati grazie alle loro proprietà meccaniche e alla bassa densità. Il materiale ridotto a fibra presenta proprietà meccaniche migliori rispetto al materiale in massa, sia perché, come nel caso del vetro, i difetti sono ridotti al minimo, sia perché, come per le fibre di carbonio o arammidiche, i legami interatomici sono orientati. Le fibre, comunque, non possono essere usate da sole, ma necessitano della matrice, che le tiene insieme, sopporta i carichi trasversali e le protegge dagli agenti esterni. Per questo motivo le proprietà meccaniche del composito sono inferiori rispetto a quelle delle fibre pure, ma rimangono comunque più elevate rispetto a quelle di numerosi materiali tradizionali. 1.1 Fibre di rinforzo I compositi sono rinforzati sia con fibre continue, sia con fibre discontinue, sia con particelle. Le fibre discontinue sono solitamente fibre corte ottenute dal frazionamento di fibre continue; in alcuni casi possono anche essere prodotte direttamente come fibre corte. Nel presente lavoro sono state utilizzate fibre continue di carbonio. 4

3 Tabella 1. Caratteristiche delle fibre di rinforzo Le fibre vengono utilizzate nei materiali compositi perché sono leggere, rigide e resistenti. Nei materiali unidirezionali sono disposte in varie lamine ognuna delle quali ha la stessa orientazione, portando così, però, a scarse proprietà lungo le direzioni trasversali. Nei laminati multidirezionali varie lamine sono sovrapposte con diverse orientazioni. Le principali fibre utilizzate sono le fibre di carbonio, le fibre di vetro e le fibre arammidiche Fibre di carbonio Le fibre di carbonio, apparse sul mercato nei primi anni 60, sono fibre sintetiche caratterizzate da elevata resistenza meccanica e rigidità. Industrialmente le fibre di carbonio vengono prodotte per lavorazioni ad altissima temperatura di particolari fibre polimeriche dette precursori. Il precursore attualmente più utilizzato è il poliacrilonitrile (PAN), un materiale molto utilizzato sia in edilizia (aggiunto a malte e calcestruzzi), sia in campo tessile. A partire da questo materiale, si ottiene la fibra di carbonio in tre fasi: riscaldamento, ossidazione e carbonizzazione. Nel primo stadio, necessario per la rottura del legame trivalente esistente nella cella elementare del polimero, tra azoto e carbonio, le fibre di poliacrilonitrile vengono riscaldate in aria fino a C. Al termine del riscaldamento si forma una struttura ciclica ad anello chiamata tetraidropiridina. 5

4 Figura 1. Processo di riscaldamento Aumentando ulteriormente la temperatura si passa alla fase di ossidazione, nella quale vengono rotti i legami tra carbonio e idrogeno. La temperatura di processo è, in questo caso, di circa 700 C. Gli anelli precedentemente formatisi diventano aromatici, e si libera idrogeno in forma gassosa. Figura 2. Processo di ossidazione La fase di carbonizzazione viene condotta in assenza di aria. In un primo stadio la temperatura viene fatta salire a valori compresi tra 400 e 600 C. Le catene aromatiche formate in precedenza si fondono letteralmente mediante espulsione di atomi di idrogeno, che si libera in forma di gas. Al termine di questo processo si ottiene un polimero a nastro, costituito da tre catene di anelli aromatici che presentano alle estremità laterali atomi di azoto. 6

5 Figura 3. Prima fase della carbonizzazione Per ottenere la fibra di carbonio, è necessario aumentare ulteriormente la temperatura, fino a 1300 C, sempre in assenza di aria. Gli atomi di azoto vengono gradualmente espulsi in forma gassosa a seguito della progressiva fusione laterale dei polimeri a nastro per realizzare nastri sempre più larghi. Il risultato finale è la formazione di polimeri a struttura granitica pressoché pura, continua e regolare lungo tutta la fibra. Figura 4. Fasi successive della carbonizzazione Le ottime proprietà meccaniche della fibra di carbonio derivano, quindi, dalla disposizione dei nastri lungo la direzione della fibra. A seconda della composizione reale del poliacrilonitrile iniziale, o della variazione di parametri durante il processo, le fibre di carbonio possono avere diversi moduli elastici e 7

6 diverse resistenze a rottura. In base alle caratteristiche meccaniche vengono classificate con delle sigle: HS (high stiffness), IM (intermediate modulus), HM (high modulus), UHM (ultra high modulus). Tabella 2. Caratteristiche meccaniche di diversi tipi di fibre di carbonio a confronto con l'acciaio La temperatura massima di esercizio per le fibre varia dai 315 ai 537 C, ma spesso è la matrice che la limita. Il fattore più critico nell utilizzo delle fibre di carbonio è, spesso, l elevato costo; questo può essere giustificato in tutte le applicazioni che richiedono alte prestazioni meccaniche e una bassa densità, come in aeronautica o in campo navale, oppure quando sono richieste altre proprietà specifiche delle fibre di carbonio Fibre di vetro Le fibre di vetro presentano le tipiche proprietà del vetro quali durezza, resistenza alla corrosione e inerzia chimica. Grazie alla geometria, però, sono anche flessibili e leggere. Tali proprietà fanno sì che la fibra di vetro sia la più utilizzata in applicazioni industriali a basso costo. La struttura della fibra di vetro è la stessa del vetro (biossido di silicio), ma le ridotte dimensioni della fibra rendono minimi i difetti presenti nel materiale, conferendo buone proprietà meccaniche. Esistono diversi tipi di fibre di vetro, in quanto tutte hanno rigidezza simile, ma differente resistenza e degradazione ambientale. Le fibre di vetro E sono utilizzate dove sono richieste alta resistenza meccanica e chimica; questo tipo di fibra è uno dei più utilizzati in applicazioni strutturali grazie alla combinazione di proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e basso costo. Le fibre S hanno un elevatissima resistenza meccanica, ma il loro utilizzo è piuttosto limitato a causa dell alto costo. Le 8

7 fibre C sono utilizzate dove è richiesta un elevata resistenza alla corrosione, le D per applicazioni elettriche. Per le fibre E si sono ottenuti valori di resistenza a trazione fino a 3,5 GPa, mentre per le S fino a 4,8 GPa; questi valori, tuttavia, non possono essere ritrovati nel composito, dal momento che il danneggiamento che inevitabilmente si ha durante la realizzazione del materiale porta i valori fino a 1,75 GPa per le E e 2,10 GPa per le S. Inoltre anche gli sforzi residui e i carichi secondari sopportati dalle fibre all interno della matrice, portano alla riduzione della resistenza. Nel campo di temperature in cui solitamente operano le matrici, le proprietà meccaniche della fibra di vetro possono essere considerate costanti; tuttavia a temperature maggiori la resistenza a trazione delle fibre si riduce. Altri fattori che possono portare alla riduzione delle proprietà meccaniche sono la corrosione chimica e la corrosione statica Fibre arammidiche Le fibre arammidiche sono fibre organiche, prodotte da DuPont, Teijin e Akzo Nobel con il nome di Kevlar, Technora e Twaron. La struttura della fibra e la reazione di sintesi sono illustrate in Figura 5. Figura 5. Sintesi della fibra arammidica Dal momento che questi polimeri non possono fondere, con conseguente formazione di un fluido viscoso, la tecnologia di produzione delle fibre arammidiche è simile a quella delle altre fibre organiche: estrusione ad alta velocità e alta temperatura del polimero in 9

8 soluzione, con successivo raffreddamento veloce ed essiccamento. La sintesi del polimero viene fatta a monte dell estrusore. Le fibre così prodotte vengono sottoposte ad un trattamento di orientazione a caldo per avvolgimento su bobine, per migliorarne le caratteristiche meccaniche. La principale caratteristica di queste fibre è l elevata tenacità, ovvero la capacità di assorbire alte quantità di energia prima della frattura, che le rende ideali per applicazioni quali protezioni antiproiettile. Il grande svantaggio nell uso di queste fibre è la scarsa resistenza a compressione, dovuta all anisotropia della fibra che porta a snervamento localizzato. Oltre a questo, essendo fibre organiche, sono soggette al creep e si degradano per azione della radiazione ultravioletta. Le proprietà meccaniche, intermedie tra quelle delle fibre di carbonio e quelle di vetro, sono sensibili alla temperatura: la resistenza a trazione, ad esempio, passando da temperatura ambiente a 170 C si riduce del 75-80% Compatibilità fibra-matrice La maggior parte delle fibre viene ricoperta con una sostanza chiamata appretto per proteggere le fibre stesse dal danneggiamento durante il processo di fabbricazione. L appretto svolge l azione di lubrificante e agente antistatico; inoltre permette alle fibre di aderire alla matrice nella quale sono inglobate. Figura 6. Struttura del composito Lo stesso tipo di fibra richiede appretti differenti in funzione del polimero utilizzato come matrice; la resistenza interlaminare del composito può essere un indice della qualità dell unione tra fibra e matrice. 10