Materiali compositi

Tessuto di filamenti in fibra di carbonio

Un materiale composito è, nella sua accezione più generale, qualunque tipo di materiale non presente in natura, caratterizzato da una struttura non omogenea, costituita dall'insieme di due o più sostanze diverse, fisicamente separate da un'interfaccia netta di spessore nullo e dotate di consistenti proprietà fisiche e chimiche differenti che rimangono separate e distinte a livello macroscopico e strutturale. I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti: matrice e rinforzo.

Il legno compensato è un comune materiale composito

I più primitivi materiali compositi furono paglia e fango combinati insieme per formare mattoni ; il libro Biblico dell' Esodo parla degli Israeliti oppressi dal Faraone che erano costretti a preparare mattoni senza paglia . L'antico processo della lavorazione del mattone può ancora essere visto sui dipinti tombali egiziani nel Metropolitan Museum of Art . [1] I più avanzati esempi sono realizzati abitudinariamente su veicoli spaziali, in ambienti impegnativi. Le più visibili applicazioni pavimentano le nostre carreggiate in forma di acciaio e aggregato rinforzato di cemento portland o conglomerato di asfalto . I compositi più vicini alla nostra igiene personale formano i piatti della doccia e i vasche da bagno fatti in fibra di vetro . La superficie solida, l'imitazione del granito e dei lavandini in marmo raffinato e i piani di lavoro da cucina sono ampiamente utilizzati per intensificare le nostre esperienze di vita.

L'idea di accoppiare più materiali per ottenere un materiale con caratteristiche più favorevoli di ciascuno dei componenti è molto antica: un materiale da costruzione molto usato dai nostri avi era una mescola di paglia e fango, la cui evoluzione nel tempo ha portato alla combinazione di calcestruzzo e tondini di ferro chiamata cemento armato . Anche in natura esistono materiali compositi (ad esempio il legno o le ossa ); anche la carta o il legno truciolare sono materiali compositi.

Nella pratica si attribuisce il nome di composito al materiale costituito da:

• una fase omogenea, detta matrice . Essa ha il compito di amalgamare e tenere unita la fase dispersa e solo in minima parte quello di sopportare il carico esterno. Nella grande maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perché garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno però il difetto di calare drasticamente le performances al salire della temperatura. Può essere costituita da:
  • una materia plastica ( termoplastici come il Nylon ® e l' ABS o termoindurenti come le resine epossidiche ) o la resina poliestere ;
  • un metallo (generalmente alluminio , o titanio e loro leghe , più raramente magnesio o altri);
  • un materiale ceramico , generalmente carburo di silicio o allumina .
• una fase dispersa, detta rinforzo o carica . Essa è una fase discontinua generalmente fibrosa , ma a volte anche particellare, che viene appunto dispersa in varie modalità all' interno della matrice. Essa ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno applicato al materiale. Può essere costituita da:
  • fibra di vetro
  • fibra di carbonio
  • fibre ceramiche
  • fibre aramidiche, come il Kevlar ®
  • fibra di basalto

Una fibra di carbonio a confronto con un capello umano

L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime (a questo scopo fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e massa volumica decisamente bassa: per questo motivo i compositi sono largamente usati nelle applicazioni dove la leggerezza è cruciale, aeronautica in primis .

Il fatto che si utilizzino materiali fibrosi come rinforzo fa in modo che spesso i materiali compositi presentino una spiccata anisotropia . Questa anisotropia non si riscontra (o per lo meno è molto minore) nei compositi particellari, nella misura in cui dette particelle sono equiassiche. L'anisotropia, se controllata, può costituire un vantaggio: il materiale viene rinforzato in quelle direzioni dove si sa verrà caricato e dunque le prestazioni vengono ottimizzate (caso dei compositi a fibre lunghe o continue). Se, invece, è dovuta a fenomeni più difficilmente controllabili (flusso plastico del materiale in uno stampo ad esempio, caso dei compositi a fibre corte) diviene problematica perché l'orientazione delle direzioni di massimo rinforzo difficilmente coincide con quella desiderata.

Auto di Formula Indy costruita in fibra di carbonio. L'auto non è ancora stata verniciata, per cui si intravedono le trame delle fibre di carbonio.

Le proprietà meccaniche dei materiali compositi risultano in continua crescita e investono ormai tutti quei settori della produzione dove è necessario soddisfare esigenze di basso peso ed elevate caratteristiche meccaniche.

Le industrie aeronautica , navale e automobilistica fanno larghissimo uso di materiali compositi per la costruzione di strutture alari, fusoliere, carrelli, barche , canoe , pannelli di carrozzeria, telai di " Formula 1 ", balestre , parti di motore e accessori vari.

Le industrie aerospaziale e bellica utilizzano questi materiali per componenti strutturali di stazioni di lancio e di macchine semoventi nello spazio , oltre che per caschi e giubbotti antiproiettile.

Nel settore dello sport questa tecnologia viene utilizzata per sci , bob , racchette da tennis , biciclette , canne da pesca , riser per il tiro con l'arco, aste per il salto in alto ecc.

In medicina si costruiscono protesi di ogni tipo.
Nel settore dell' impiantistica vengono impiegati per tubazioni e serbatoi.

I materiali compositi, per come vengono prodotti, costituiscono infine la base per la preparazione dei cosiddetti materiali intelligenti ( Smart Materials ): questi si ottengono annegando all'interno del composto, in fase di costruzione, delle fibre ottiche che, collegate ad un computer , costituiscono il sensore capace di trasformare i segnali in funzione degli stati di sollecitazione e di deformazione presenti. Un esempio applicativo di notevole interesse potrebbe essere il telaio di autovetture , costruito in materiale composito intelligente, che può essere tenuto costantemente sotto controllo da un computer di bordo. Con questo tipo di monitoraggio il pilota sarebbe in grado di valutare, in ogni momento, l'efficienza della struttura e l'insorgere di situazioni pericolose.

I limiti che rallentano la diffusione su larga scala dei materiali compositi sono rappresentati dalla loro scarsa resistenza superficiale all'usura ed ai carichi concentrati, al costo elevato ed a diversi problemi di smaltimento e riciclaggio.

• Ciampaglia Giuseppe: "Tecnologia dei materiali compositi meccanici ed aeronautici". II Ediz. IBN Editore, Roma 2003.

• Materiale da costruzione
• Materiali a memoria di forma
• Materie plastiche
• Polimeri
• Vetroresina

Un tessuto costituito da filamenti di carbonio intrecciati.

La fibra di carbonio è una struttura filiforme, molto sottile, realizzata in carbonio con la quale si costruiscono una grande varietà di materiali detti compositi in quanto le fibre sono "composte" ovvero unite assieme ad una matrice , in genere di resina (ma può essere in metallo o in plastica) la cui funzione è quella di tenere in "posa" le fibre resistenti (affinché mantengano la corretta orientazione nell'assorbire gli sforzi), di proteggere le fibre ed inoltre di mantenere la forma del manufatto composito. Per la realizzazione di strutture in composito le fibre di carbonio vengono dapprima intrecciate insieme a organizzare veri e propri panni in tessuto di carbonio e poi, una volta messi in posa, vengono immersi nella matrice. Tra le sue caratteristiche spiccano l'elevata resistenza meccanica, la bassa densità , la capacità di isolamento termico, resistenza a variazioni di temperatura e all'effetto di agenti chimici, buone proprietà ignifughe . Di contro il materiale risulta non omogeneo e presenta spesso una spiccata anisotropia , ovvero le sue caratteristiche meccaniche hanno una direzione privilegiata.

La prima fibra di carbonio ad alte prestazioni fu creata dal Dr. Roger Bacon, fisico e scienziato dei materiali presso il Parma Technical Center , Ohio , nel 1958 . Il materiale creato da Bacon consisteva principalmente in sottili filamenti di grafite disposti in fogli o in rotoli; i fogli si estendevano in modo continuo sull'intera lunghezza del filamento di grafite. Dopo avere sviluppato la fibra di carbonio, Bacon stimò il costo della produzione di fibre ad alta prestazione a "10 milioni di dollari per libbra ". Il materiale creato da Bacon rappresentò una scoperta di notevole rilievo a quell'epoca, e gli scienziati e gli industriali furono determinati nel trovare una metodica produttiva efficiente e meno costosa. [1]

Il 14 gennaio 1969 la Carr Reinforcements produsse il primo tessuto in fibra di carbonio esistente al mondo. [2]

Un metodo comune per ottenere i filamenti di carbonio consiste nell' ossidazione e pirolisi termica del poliacrilonitrile (PAN), un polimero a base di acrilonitrile utilizzato anche per la produzione di materie plastiche . Il PAN viene riscaldato approssimativamente alla temperatura di 300 °C in presenza di aria , con il risultato di ottenere l'ossidazione e la rottura di molti legami idrogeno instauratisi tra le lunghe catene polimeriche. Il prodotto dell'ossidazione viene quindi posto in una fornace e riscaldato a circa 2000 °C in atmosfera di gas inerte , come quella di argon , ottenendosi in tal modo un cambiamento radicale della struttura molecolare con formazione di grafite. Effettuando il processo di riscaldamento nelle corrette condizioni richieste, si ha la condensazione delle catene polimeriche con produzione di ristretti fogli di grafene che eventualmente possono fondersi generando un singolo filamento. Il risultato finale consiste solitamente nell'ottenimento di un materiale con contenuto in carbonio variabile tra il 93-95%. Fibre di qualità inferiore possono essere prodotte utilizzando pece o rayon quali precursori in sostituzione del PAN. Le proprietà meccaniche della fibra di carbonio possono essere ulteriormente migliorate sfruttando opportuni trattamenti termici. Riscaldando nell'intervallo di 1500-2000 °C (carbonizzazione) si ottiene un materiale con il più alto carico di rottura (5650 MPa ), mentre la fibra di carbonio riscaldata a 2500-3000 °C (grafitizzazione) mostra un modulo di elasticità superiore (531 GPa).

Un filamento di carbonio del diametro di 6 μm (che si estende da sinistra in basso a destra in alto) a confronto con un capello umano.

Le fibre di carbonio hanno proprietà molto simili all' asbesto . [3] Ogni intreccio di filamenti di carbonio costituisce un insieme formato dall'unione di molte migliaia di filamenti. Un singolo tale filamento ha sottile forma cilindrica del diametro di 5-8 μm e consiste quasi esclusivamente di carbonio .

La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, consistendo in aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo simmetria esagonale regolare. La differenza consiste nel modo in cui questi fogli sono interconnessi. La grafite è un materiale cristallino in cui i fogli sono disposti parallelamente l'uno rispetto all'altro formando una struttura regolare. I legami chimici che si instaurano tra i fogli sono relativamente deboli, conferendo alla grafite la sua caratteristica delicatezza e fragilità. In funzione della materia prima utilizzata per produrre la fibra, la fibra di carbonio può essere turbostratica o grafitica, ovvero possedere una struttura ibrida in cui sono presenti sia parti turbostratiche che grafitiche. Nella fibra di carbonio turbostratica, ovvero con struttura cristallina formata da piani ciascuno deviato lateralmente rispetto all'altro, i fogli di atomi di carbonio sono uniti in modo casuale o ripiegati insieme. Le fibre di carbonio ottenute dal PAN sono turbostratiche, mentre le fibre di carbonio derivate dalla mesofase pece sono grafitiche dopo riscaldamento a temperature superiori a 2200 °C. Le fibre di carbonio turbostratiche tendono ad avere maggior carico di rottura, mentre le fibre derivate dalla mesofase pece sottoposte a trattamento termico possiedono elevata elasticità ( modulo di Young ) ed elevata conducibilità termica .

La fibra di carbonio è prevalentemente utilizzata per rinforzare i materiali compositi , in particolar modo i polimeri plastici . Un altro utilizzo sfrutta il conferimento di un certo valore estetico a vari prodotti di consumo.

Sfruttandone le caratteristiche di resistenza e leggerezza del peso, la fibra di carbonio viene utilizzata per la produzione delle casse degli orologi e del quadrante. Nella fabbricazione degli orologi, il materiale è spesso combinato con un polimero per aumentarne la resistenza. [4]

Materiali non polimerici possono essere utilizzati anche in funzione di matrice per le fibre di carbonio. A causa della formazione di carburi (per esempio il carburo di alluminio , idrosolubile) e a problematiche legate a fenomeni di corrosione , l'utilizzo del carbonio in compositi a matrice metallica è poco sviluppato. Il carbonio-carbonio (RCC, Reinforced Carbon-Carbon ) [5] consiste in un rinforzo di fibra di carbonio in una matrice di grafite e viene utilizzato in applicazioni che richiedono l'esposizione a temperature elevate, come nel caso degli scudi termici dei veicoli spaziali o dei freni delle auto di Formula 1 . Questo materiale è utilizzato anche per la filtrazione di gas ad alta temperatura, come elettrodo a elevata area superficiale e resistente alla corrosione, e come componente antistatico .

La fibra di carbonio è utilizzata anche nei recipienti per gas compressi, inclusi quelli per l' aria compressa.

Molto raramente si usano lastre piane di composito piegandole a caldo, viene infatti preferita la tecnica di polimerizzazione delle resine direttamente su uno stampo, impregnando ogni strato di tela di fibra alla volta, spesso comprimendo il tutto per migliorare l'uniformità dello spessore

In relazione al loro modulo di elasticità, esistono differenti categorie di fibre di carbonio: con modulo basso (fino a 200 GPa), modulo standard (200-250 GPa), modulo intermedio (250-325 GPa) e modulo elevato (> 325 GPa). [6] La resistenza meccanica dei differenti tipi di filato varia tra 2-7 GPa. La densità tipica della fibra di carbonio è 1750 kg/m 3 .

Gli intrecci di filamenti di fibra di carbonio sono utilizzati in diversi processi, tra i quali spiccano il rinforzo di materiale plastico, la tessitura dei filamenti e la pultrusione . Il filato di fibra di carbonio viene classificato in base alla sua densità lineare (peso per unità di lunghezza, con 1 g / 1000 m = 1 tex ) o in base al numero di filamenti per filato. Per esempio 200 tex per 3000 filamenti di fibra di carbonio sono tre volte resistenti rispetto a 1000 fibre di carbonio, ma anche tre volte più pesanti. Questo filato può essere utilizzato per creare vari tessuti , il cui aspetto dipende generalmente dalla densità lineare del filato e dal tipo di tessitura eseguita. Alcuni tipi di tessuti comunemente utilizzati sono la saia , il raso e la tela .

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Fibra di vetro

Le fibre di vetro sono un materiale utilizzato per la produzione di materiali compositi ovvero materiali strutturali avanzati in cui diversi componenti sono integrati tra loro per produrre un materiale di caratteristiche meccaniche superiori.

L'esperienza comune ci dice che il vetro monolitico è un materiale fragile. Se esso invece viene filato a diametri d'ordine inferiore al decimo di millimetro perde la sua caratteristica fragilità per divenire un materiale ad elevata resistenza meccanica e resilienza . La fragilità del vetro comune è dovuta al gran numero di difetti della cristallizzazione che agiscono come microfratture e zone di concentrazione degli sforzi. Al contrario la fibra di vetro non presenta tutti questi difetti, per cui raggiunge resistenze meccaniche prossime alla resistenza teorica del legame covalente .

Si distinguono vari tipi di fibre a seconda delle loro caratteristiche, che ne condizionano l'impiego.

Le fibre di vetro sono largamente utilizzate nella produzione di compositi strutturali in campo aerospaziale, nautico, automobilistico, associati a matrici diverse, ad esempio poliammidiche o epossidiche , ma comunque resine sintetiche. Non vengono solitamente impiegate nella realizzazione di compositi con matrici metalliche o ceramiche per le quali, al di là del problema tecnologico dovuto all'alta temperatura in produzione, si preferisce l'impiego di fibre con prestazioni migliori, ad esempio le fibre di carbonio , in relazione all'alto costo di produzione.

I compositi a fibre ottiche risultano economici, tecnologicamente semplici da produrre e hanno ottime caratteristiche meccaniche a basse temperature d'esercizio. Nel campo dell'ingegneria civile le fibre di vetro sono impiegate nella realizzazione di manufatti in fibrocemento .

• Lana di vetro
• Vetroresina

La struttura chimica del kevlar. In grassetto: l'unita di monomero . Tratteggiati: i legami idrogeno .

Struttura tridimensionale del Kevlar

Il kevlar , detto anche twaron è una fibra sintetica polimerica , che a parità di peso è 5 volte più resistente dell'acciaio. Il kevlar ha un grande resistenza al calore e decompone a circa 500 °C senza fondere. Per le sue caratteristiche di resistenza, il kevlar viene utilizzato per la costruzione di giubbotti antiproiettile , di attrezzature per gli sport estremi, di componenti per gli aeromobili. Il kevlar è stato inventato nel 1965, ed è attualmente un marchio di fabbrica della DuPont .

Stephanie Kwolek [31.7.1923] mise a punto numerose aramidi sintetiche e scoprì i polimeri cristallini liquidi e per l'appunto il kevlar, una particolare fibra sintetica dalle numerose applicazioni, che viene brevettata dalla Dupont nel 1973.

La reazione tra 1, 4-fenilendiammina (para-fenilendiammina) con il cloruro di tereftaloile . Nel corso degli anni, questo tipo di fibra sintetica ha ricevuto miglioramenti notevoli in termini di resistenza meccanica. Fin dall'inizio essa si dimostrò promettente, con una resistenza rispetto all'acciaio, beninteso a parità di massa (non certo di spessore, perché la densità è molto più bassa), di oltre 2 volte. Questo era un risultato notevole, e ben presto comparvero materiali leggeri per la protezione dei soldati in Vietnam, sia individuale che per i velivoli. Con il tempo si è arrivati a prodotti ancora più resistenti, che offrono un rapporto di almeno 5:1 sull'acciaio. Ovviamente, questo riguarda la resistenza meccanica, ma non quella al logorio né tanto meno quella al calore: non esistono ingranaggi in kevlar, o parti di motore in tal materiale. Inoltre, la resistenza alla penetrazione, quando usato per protezione, è valida contro i proiettili, meno contro le baionette e i coltelli (per quanto la cosa possa sorprendere) cosicché i giubbotti attuali utilizzano inserti con pannelli di titanio per coprire tutte le minacce. La combinazione kevlar-leghe leggere alluminio o titanio che siano, è presente anche a bordo di molte macchine volanti, specie dove il peso sia da limitarsi al massimo. Per cui fibre sintetiche come il kevlar, il meno famoso nomex , fibre di carbonio , leghe leggere di alluminio, magnesio e titanio sono le principali utilizzate per gli elicotteri moderni.

Fibre di kevlar

Data la leggerezza e le altre qualità è molto utilizzata nelle strutture delle auto da corsa, principalmente nella Formula 1 , e la Ferrari produce interamente il proprio fabbisogno all'interno della fabbrica di Maranello . [ senza fonte ]

Le fibre aramidiche, per il loro ottimo comportamento al calore, sono utilizzate per le carcasse di rinforzo di pneumatici speciali.

Il kevlar k29 ed il k49 vengono largamente utilizzati anche nella produzione dei puntali (la parte anteriore che si avvita al manico) delle stecche da biliardo .

• Il kevlar costituisce gli stoppini degli attrezzi da giocoleria incendiabili.
• Il kevlar è molto utilizzato nella costruzione di canoe e pagaie da canoa polo e discesa, data la sua leggerezza e la sua resistenza agli urti.
• Viene inoltre usato per tubazioni freno per auto e moto, similmente a quanto accade con tubi in treccia d'acciaio e più recentemente anche in carbonio. Tale uso è dovuto alla rigidità del kevlar che non si gonfia quando c'è un liquido in pressione all'interno della tubazione (nel caso dei freni idraulici, per esempio, olio).
• Il kevlar è usato anche nei cordini per l'arrampicata.
• Il kevlar è utilizzato per la realizzazione di materiali compositi denominati Fiber Reinforced Polymers utilizzati di recente per il consolidamento statico di edifici in muratura e calcestruzzo armato .
• Il kevlar è utilizzato negli altoparlanti dei diffusori Hi-Fi di alta qualità.
• Il kevlar è impiegato nella fabbricazione degli elmetti militari (esempio: il Lightweight Helmet dei Marines).

• Il kevlar è anche il materiale di cui è fatto il costume di Batman , sia nei fumetti , sia nei film Batman Begins e Il Cavaliere Oscuro . Anche Punisher , un altro personaggio dei fumetti, veste un giubbotto antiproiettili in kevlar.

• Glossario di tessitura

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