MATERIALI COMPOSITI

Claudio Migliaresi - Alessandro Pegoretti , Univ. di Trento

     
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 e’ 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.
E così, l’aggiunta di tondini di ferro al calcestruzzo impartisce al calcestruzzo armato resistenza alla trazione, e pertanto alla flessione, permettendone l’uso per la realizzazione di strutture soggette a carichi diversi, e l’uso di fibre ad elevate proprietà meccaniche consente di impiegare materiali polimerici per fabbricare aerei od automobili.
La combinazione di due o più’ materiali diversi in un materiale composito produce oggi materiali e strutture che trovano applicazioni vaste e sempre più numerose. In alcuni casi il materiale composito viene prodotto per impartire alla matrice che lo contiene proprietà genericamente migliori, in molti casi il materiale composito viene progettato in modo tale che le sue proprietà siano specifiche e volute.
Limitandoci al caso dei materiali compositi di maggiore uso per applicazioni strutturali, e pertanto ai materiali compositi a matrice polimerica rinforzati da fibre, è interessante comparare le proprietà meccaniche di alcune fibre e matrici polimeriche (Tabella 1).

Tabella 1: proprietà di alcune fibre e matrici polimeriche comunemente
utilizzate nella realizzazione di materiali compositi.

 

Densità
(g/cm3)

Modulo elastico
(GPa)

Resistenza a trazione
(MPa)

Deformazione
a rottura
(%)

Coeff. espansione termica
(10-6/°C)

FIBRE

         

vetro
tipo E

2.54

72.4

3450

4.80

5

carbonio
Amoco T-300

1.76

231

3650

1.60

longitudinale -0.6

radiale 7-12

carbonio
Hercules AS-4

1.80

248

4070

1.65

-

carbonio
Amoco P-100

2.15

758

2410

0.32

longitudinale -1.45

aramidiche
Kevlar 49

1.45

131

3620

2.8

longitudinale -2

radiale 59

polietilene
Spectra-1000

0.97

172

3000

2.7

-

Boro

2.7

393

3100

0.79

5

Allumina
Fiber FP

3.95

379

1900

0.4

8.3

MATRICI

         

epossidiche

1.2-1.3

2.75-4.10

55-130

4-8

50-80

poliestere insature

1.1-1.4

2.1-3.45

34.5-103.5

1-5

-

PEEK

130-1.32

3.2

100

50

47

PPS

1.36

3.3

83

4

49

PEI

1.27

3

105

60

56


Fibre di carbonio, aramidiche (tra le quali il Kevlar) o vetro possiedono modulo elastico (rigidità) o resistenza molto più’ elevati di quello delle matrici polimeriche che andranno a rinforzare.
L’aggiunta del 50% in volume di fibre continue di carbonio in una matrice di resina epossidica produrrà una struttura che, sollecitata a trazione nella direzione secondo la quale sono disposte le fibre, presenta una rigidità anche di 2 volte superiore a quella di una struttura in acciaio delle stesse dimensioni (il modulo elastico del composito può’ raggiungere i 400 GPa, il doppio di quello dell’acciaio che è uguale a 200 GPa), con una resistenza a rottura 4-5 volte più’ alta. Inoltre, la struttura realizzata con il composito di fibre di carbonio e resina epossidica 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).
La stessa struttura in composito, realizzata pero’ disponendo le fibre in maniera tale che le proprietà del manufatto siano pressoché indipendenti dalla direzione di applicazione del carico, avrà’ una rigidità che e’ circa la metà di quella dell’acciaio, conservando però il notevole vantaggio di pesare ancora circa 4 volte di meno.
Il favorevole rapporto tra prestazioni meccaniche e peso motiva il sempre più ampio uso dei materiali compositi nelle applicazioni del settore trasporti, per realizzare aerei, imbarcazioni ed autoveicoli meno pesanti, e pertanto con minor consumo e maggiore autonomia.
Molteplicità di processi di fabbricazione, rapidità di produzione, adattabilità a forme e requisiti complessi, possibilità di ottenere manufatti con proprietà meccaniche progettate in funzione dei requisiti richiesti, costituiscono indubbi vantaggi sia per la produzione che per la realizzazione stessa di un aereo, auto o imbarcazione o di loro componenti.
La possibilità di disporre fibre o tessuti di rinforzo nella matrice polimerica in direzioni volute, privilegiando rigidità e resistenze in tali direzioni, costituisce un’opportunità unica di progettazione e realizzazione contemporanee di una struttura, assente per gli altri tipi di materiali. E così se per irrigidire a flessione una trave di acciaio bisogna aumentare l’altezza 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 opportune, nel pezzo senza che sia per questo necessario variarne forma o dimensioni.
La progettabilità costituisce senz’altro la caratteristica più "stimolante" di un materiale composito, unico tipo di materiale che può essere prodotto nella forma definitiva e con le proprietà’ volute mentre viene prodotto.
In generale, i criteri di progettazione attualmente utilizzati per i materiali compositi sono molto simili a quelli che tradizionalmente vengono considerati per le strutture metalliche. Per esempio, un componente strutturale in un aeroplano sia esso realizzato in alluminio o in materiale composito viene dimensionato sulla base dei seguenti criteri:

1. deve essere in grado di sopportare i carichi massimi ammissibili in condizioni statiche;

2. il limite di fatica deve essere uguale o superiore al tempo di vita previsto per il veicolo;

3. le deformazioni conseguenti all’applica- zione dei carichi ripetuti e dei carichi massimi ammissibili non devono interferire con la manovrabilità aerodinamica dell’aereo o indurre danni che implichino sostituzione o riparazione di parti.

I carichi massimi ammissibili vengono solitamente stimati considerando un fattore di sicurezza moltiplicativo rispetto ai carichi di progetto. Per componenti metallici il fattore di sicurezza solitamente utilizzato è 1.5, mentre per strutture in materiale composito si utilizza un fattore più elevato, 2 o più, principalmente a causa della mancanza di esperienza progettuale e di dati relativi al comportamento a lungo termine. La relativamente scarsa diffusione delle competenze progettuali nel calcolo strutturale è sicuramente uno dei fattori limitanti per un più esteso impiego dei materiali compositi in sostituzione diretta di materiali tradizionali come l’acciaio o anche le leghe leggere. Infatti un materiale composito, grazie alla possibilità di modulare le caratteristiche elastiche ed ultime a seconda della percentuale e dell’orientazione delle fibre, esige una conoscenza accurata della teoria dell’elasticità ortotropa che usualmente non costituisce un bagaglio culturale tipico per l’ingegnere progettista. La risposta a questa esigenza di personale qualificato alla progettazione con i nuovi materiali, e con i materiali compositi in particolare, costituisce sicuramente uno degli obiettivi importanti per il corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali.

Tabella 2: alcune applicazioni dei materiali compositi a matrice polimerica.

SETTORE INDUSTRIALE

ESEMPI

AERONAUTICO-AEROSPAZIALE

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

AUTOMOBILISTICO

parti di carrozzeria, cabine per camion, spoilers, quadri comandi, pannelli porta-strumenti, alloggiamenti per luci, paraurti, molle per sospensioni, organi di trasmissione, ingranaggi, cuscinetti

NAVALE - MARINO

scafi, ponti, alberi, vele e relative stecche, profili strutturali, sagole di salvataggio, boe d'ancora, protezioni per motori, pannelli interni

CHIMICO

tubazioni, serbatoi, recipienti in pressione, tramogge, valvole, pompe, ventole e giranti, grate per pavimenti

EDILE

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

basette per circuiti stampati, pannelli, alloggiamenti, interruttori, isolatori, connettori, condotte porta cavi, scale isolate, corde, tralicci, componenti per motori e trasformatori, utensili isolati

AGRICOLO

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 diffusione delle conoscenze relative alle tecniche progettuali con i materiali compositi dovrà però essere accompagnata da un parallelo sviluppo delle relative tecnologie di fabbricazione e lavorazione che consentano di raggiungere i volumi produttivi richieste dai vari settori industriali. Le tecniche manuali, benché ancora ampiamente utilizzate, non consentono infatti il raggiungimento di elevati livelli di produttività. Esistono poi delle tecnologie, parte già industrializzate e parte tuttora oggetto di studio ed affinamento, che si basano su processi automatici o semi-automatici. Le principali tecnologie comprese in questa categoria sono: avvolgimento elicoidale, formatura per stampaggio ad iniezione con resina in pressione, stampaggio di lastre preimpregnate (SMC), stampaggio di paste preimpregnate (BMC).
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.
   
   
Per un approfondimento su questi argomenti si consiglia la lettura del capitolo 14 del libro "Manuale dei Materiali per l'Ingegneria", AIMAT, Autori Vari, Ed. McGraw Hill Libri Italia, Milano, 1996.