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I MATERIALI COMPOSITI

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I
MATERIALI
COMPOSITI















INTRODUZIONE


I materiali compositi sono materiali artificiali costituiti da una stretta combinazione, di natura fisico-chimica, di due o più sostanze diverse. Un materiale composito ideale conserva le migliori proprietà dei suoi costituenti che, sommandosi, annullano quelle indesiderabili. Ad esempio la vetroresina, una materia plastica rinforzata con fibra di vetro, combina l'alta resistenza meccanica delle sottili fibre di vetro con la duttilità e la resistenza chimica della plastica.





Un materiale composito è solitamente costituito da fibre sintetiche, inglobate in una matr 858c25i ice che le circonda e vi si lega strettamente. I più largamente impiegati sono quelli a matrice polimerica, ovvero costituiti da fibre di materiale ceramico, di carbonio o di vetro inglobate in un polimero: solitamente le fibre occupano circa il 60% del volume totale del materiale.

Materiali con caratteristiche particolari vengono ottenuti sostituendo le matrici plastiche con matrici metalliche o ceramiche. La componente di rinforzo può essere formata da fibre sottili continue o da frammenti di fibre con alto rapporto tra altezza e larghezza.


I materiali compositi a fibre continue sono particolarmente adatti alle applicazioni che richiedono un'alta resistenza strutturale: ad esempio, la resistenza specifica (rapporto tra resistenza e densità) e la rigidità specifica (rapporto tra elasticità e densità) dei materiali a matrice polimerica con fibre continue di carbonio sono largamente superiori alle tradizionali leghe metalliche.

Altre proprietà interessanti dei materiali compositi sono l'alta conduttività termica o elettrica e i bassi coefficienti di espansione termica. Variando l'orientamento e la direzione di intersezione delle fibre all'interno della matrice, inoltre, è possibile produrre materiali con caratteristiche strutturali studiate appositamente per usi particolari.

I materiali compositi presentano comunque anche alcuni svantaggi rispetto ai materiali tradizionali. Ad esempio, quelli a matrice polimerica tendono a essere fortemente anisotropi: le loro proprietà meccaniche variano a seconda dell'orientamento delle fibre. I materiali compositi a matrice polimerica con fibre parallele, ad esempio, presentano una grande rigidezza nella direzione delle fibre, ma non altrettanta in direzione perpendicolare. Queste proprietà anisotropiche pongono seri problemi se tali materiali devono essere utilizzati in strutture soggette a forze multidirezionali, e inoltre la connessione fra diversi elementi di materiale presenta delle difficoltà.


La possibilità di sviluppare prodotti di qualità superiore per l'industria aerospaziale, per l'industria automobilistica e per le attrezzature sportive ha dato un grande impulso alle ricerche di materiali compositi sempre più avanzati. Già oggi ne sono disponibili alcuni che trovano larga applicazione, ad esempio per il rinforzo di strutture di ingegneria civile come ponti e autostrade, oppure per la realizzazione di prodotti biomedici come le protesi.

Allo stato attuale gli alti costi di produzione e la complessità dei processi produttivi rendono problematico un uso più diffuso dei materiali compositi: lo sviluppo tecnologico e industriale lascia prevedere però che a breve termine diverrà possibile la loro produzione su vasta scala, e che, riducendo i costi, il loro impiego subirà una netta accelerazione.



DEFINIZIONE

Una definizione di materiali compositi può essere la seguente: si tratta di materiali di solito non presenti in natura che sono il risultato di una combinazione tridimensionale di almeno due materiali tra loro chimicamente differenti con un'interfaccia di separazione.

La combinazione così ottenuta vanta proprietà chimico-fisiche non riscontrabili nei singoli materiali che la compongono.


I materiali compositi tecnici sono fibre sospese in una matrice rigida (per esempio resina), orientate in varie direzioni. Tali fibre possono essere in carbonio, vetro, KevlarTM , poliestere, nylon, materiali in ceramica e quarzo o boro. Le fibre conferiscono al composito forza e rigidezza e possono essere sotto forma di filati, nastri, tessuti e tessuti-non-tessuti. Le resine termoplastiche o termoindurenti conferiscono struttura al composito e costituiscono il mezzo per il trasferimento dei carichi da una fibra all'altra.
















STRUTTURA

I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti.

La maggior parte dei compositi sono formati da due tipi di costituenti: il legante, o matrice, ed il rinforzo. Il rinforzo è di solito molto più rigido e resistente che non la matrice e dà al composito le caratteristiche per le quali è conosciuto.

La matrice mantiene i materiali di rinforzo in posizione, e poiché quest'ultimi sono solitamente discontinui tra loro, la matrice ha anche la funzione di trasferimento dei carichi.

I rinforzi dei materiali compositi sono di tre tipi:

- particolati,

- fibre discontinue

- fibre continue

Un particolato ha approsimatamente le stesse dimensioni in ogni direzione benché non siamo necessariamente in presenza di elementi sferici.  Ghiaie, microgranuli e polveri di resina sono tutti esempi di rinforzi particolati.  I rinforzi di materiali compositi si dicono fibre quando una dimensione diventa prevalente rispetto alle altre.  Rinforzi in fibra discontinua (pezzi di fibra, filamenti etc.) variano in lunghezza da pochi millimetri ad alcuni centimetri. Poiché la maggior parte delle fibre ha un diametro di pochi micron, ci vuole poco per passare da particolato a fibra.

Nel caso dei particolati e delle fibre discontinue la matrice deve trasferire i carichi ad intervalli di tempo estremamente ravvicinati.  Di conseguenza le proprietà finali del composito non riescono ad avvicinarsi più di tanto a quelle tipiche del rinforzo. 

Nel caso di rinforzi di materiali compositi a struttura continua, invece, ci sono poche o nessuna interruzione nella struttura del rinforzo.  Le proprietà fisico-chimiche del composito se ne avvantaggiano di molto.  Compositi di questo tipo sono quindi indicati per applicazioni ad alta performance quali quelle sportive o di derivazione aerospaziale.



I materiali usati per le matrici sono solitamente dei tipi di plastica e questi compositi sono conosciuti col nome di plastiche rinforzate

Esistono altri tipi di matrici, di origine metallica o ceramica, ma quelle plastiche sono di gran lunga le più comuni.  Tra i tipi di plastica più usati per le matrici ci sono le resine epossidiche e le resine di poliestere.

I materiali compositi sono disponibili in fogli o in laminati.  Un singolo foglio consiste di fibre orientate in una sola direzione  (unidirezionali) o in due direzioni (bidirezionali) , come nel caso ad esempio di un tessuto.

Esistono anche altri tipi di formati, ma questi sono di gran lunga quelli più usati.

Le proprietà dei compositi vengono enfatizzate quando le sollecitazioni cui sono sottoposti avvengono lungo l'asse in cui sono disposte le fibre. Le proprietà della matrice prevalgono nel caso di sollecitazioni perpendicolari, o traverse, alle fibre poiché in questo caso le sollecitazioni devono essere sopportate dal diametro di ciascuna fibra nella matrice stessa.  Poiché la maggior parte delle strutture non viene sollecitata in un solo senso, benché possa esserci un senso prevalente, è necessario orientare le fibre in più direzioni.  Ciò viene ottenuto con la sovrapposizione di più fogli.  L'insieme sovrapposto dei fogli è chiamato laminato.

La struttura più efficiente per i compositi si è rivelata quella dove la maggior parte delle fibre si orienta secondo la direzione dei carichi primari, mentre solo il numero necessario di fibre è orientato nel verso dei carichi secondari con lo scopo principale di mantenere integra la struttura.

Efficienza, in questo caso, indica minor peso e minor costo poiché ogni fibra che non è necessaria per sopportare carichi-sforzi di sorta è stata probabilmente rimossa.

Negli Stati Uniti vengono prodotti annualmente 1.5 milioni di tonnellate di materiali compositi.  Con oltre 2000 impianti produttivi in attività, il settore dà lavoro ad oltre 150.000 addetti.  Il 65% di tutti i compositi prodotti usano fibra di vetro o resine estero-viniliche. Il processo produttivo più comune è quello della stesura manuale.  Il restante 35% è prodotto processi produttivi di massa e usa materiali avanzati quali carbonio o fibre aramidiche.

I tipi di plastica più comuni sono le termoplastiche: polietilene, acrilici, poliesteri etc.  Questi tipi di plastica possono essere riscaldati e messi in forma e possono anche essere nuovamente riscaldati e ritornati allo stato liquido.

I materiali compositi, al contrario, usano resine termoindurenti che allo stato originario hanno la forma di polimeri liquidi e che vengono convertite in solidi durante il processo di modellazione.  Questo processo, conosciuto col termine di cross linking, è irreversibile.  A motivo di ciò i compositi hanno una maggiore resistenza al calore e agli agenti chimici e vantano migliori proprietà fisiche e di durata.


I materiali compositi si distinguono dai metalli in quanto si tratta della combinazione di materiali tra loro differenti per composizione o forma.  Ciascun costituente mantiene la propria identità nel composto finale senza dissolversi o fondersi completamente nell'altro.

Il cemento armato e' un eccellente esempio di struttura composita dove cemento e acciaio mantengono la loro identità. Le barre d'acciaio sopportano i carichi di tensione mentre il cemento sopporta quelli in compressione.  Nel campo delle costruzioni aeronautiche il termine "strutture composite" si riferisce a combinazioni di tessuti e resine dove il tessuto e' imbevuto di resina e tuttavia mantiene la sua identità.

I materiali compositi avanzati consistono in una nuova fibra ad alta resistenza inserita in una matrice epossidica.  Il risultato e' un risparmio di peso nelle strutture aeronautiche, ad esempio, a causa di un migliorato rapporto peso-resistenza.


Strutture di grafite-epoxy permettono un risparmio di peso del 20% rispetto all'alluminio.  La riduzione dei pesi e' il vantaggio più evidente a supporto della scelta.  Altri vantaggi rispetto ai materiali tradizionali includono l'alta resistenza alla corrosione, e la resistenza ai carichi di tipo ciclico (fatica).

Lo svantaggio maggiore e' invece legato ai maggiori costi.

I materiali compositi ibridi sono tipicamente ottenuti aggiungendo fiberglass o kevlar alla matrice di base fibra - epoxy.  Le aggiunte sono fatte per ottenere specifiche caratteristiche quali la resistenza alla rottura o agli impatti.  L'aggiunta di carbonio-epoxy alle strutture in fiberglass, ad esempio, incrementa la rigidità dell'insieme.

La maggior parte dei materiali compositi moderni combinano una matrice in resina termoindurente con rinforzi in fibra oltre a cellule di rinforzo quali schiume dure e strutture a nido d'ape (honeycomb).

Rinforzi comunemente usati sono il vetro, il carbonio e le fibre aramidiche, quest'ultime disponibili in varie forme (continue, frammentate, multi-assiali o intessute).

Una scelta oculata dei tipi di rinforzo permette di tarare le caratteristiche di forza e resistenza della struttura finale su quasi ogni esigenza richiesta dal prodotto finito.

La fibra di vetro e' di gran lunga la fibra di rinforzo più usata, di qui il termine GRP (glass reinforced plastic) e FRP (Fiber reinforced plastic) usati spessi per descrivere prodotti fatti con compositi.

Le matrici di resina termoindurente piu' comunemente usate includono poliestere, epoxy, estere vinile e fenoli.  La scelta dei tipi di resine impiegate permette di variare le caratteristiche relative alle temperature d'esercizio, alla resistenza agli agenti chimici e all'aggressione degli agenti atmosferici, alle proprietà di conducibilità elettrica e alla resistenza al fuoco.

Pressoché ogni oggetto prodotto con materiali tradizionali può essere prodotto anche usando materiali compositi.

Mentre l'uso dei compositi e' quasi una scelta obbligata per certi tipi di applicazioni, la selezione del materiale da impiegare e' in genere funzione della durata utile richiesta al prodotto finito, del numero totale dei pezzi da produrre, della complessità della forma, del risparmio nei costi di assemblaggio, e, infine, dell'esperienza nell'uso dei compositi.  In molti casi i risultati migliori si ottengono dall'uso combinato di materiali compositi e di materiali tradizionali.

Anche i processi produttivi hanno conosciuto un'evoluzione costante. Benché la stesura manuale rimane ancora una tecnica diffusa, nuove tecniche quali l'infusione sotto vuoto si faranno strada in settori ad alta tecnologia quali quelli delle applicazioni aerospaziali per i materiali compositi.

















CARATTERISTICHE

Caratteristiche materiali compositi: principali

  • Alta resistenza e basso peso
  • Resistenza alla corrosione
  • Durata

I materiali compositi vantano un miglior rapporto peso-resistenza rispetto ad alluminio ed acciaio e possono essere ingegnerizzati per fornire un'ampia gamma di caratteristiche relativamente a resistenza all'impatto, tensione e flessione.



Caratteristiche materiali compositi: opzionali

  • Ignifughi
  • Antistatici o ad alta conducibilità elettrica
  • Pigmentati o traslucidi
  • Resistenza all'abrasione

La composizione di base di un materiale composito può essere modificata per esaltare performance e apparenza attraverso la combinazione di una o più delle caratteristiche di qui sopra.


Forma e disegno

  • Flessibilità nel disegno
  • Stabilità dimensionale
  • Alta capacità di adattamento ad altri materiali

Usando i compositi si possono creare un numero pressoché infinito di prodotti di ogni forma e dimensione usando un numero minore di parti.  In pratica il designer ha la possibilità di disegnare il materiale per venire incontro alle esigenze di forma e funzione del prodotto finito.  Altre caratteristiche che agevolano il lavoro del designer sono il fatto che i materiali compositi mantengono la loro forma originaria anche quando sottoposti a stress meccanici e ad alte temperature.  La capacità di adattamento dei compositi a materiali quali cemento ed acciaio, infine, li rende insostituibili per lavori di ristrutturazione.


PROPRIETA'


In rapporto a quelli tradizionali, tra le proprietà dei materiali compositi si annoverano una combinazione unica di robustezza, leggerezza, resistenza alla corrosione e agli agenti chimici, isolamento termico ed elettrico.


Le proprietà dei materiali compositi permettono di disegnare il prodotto finale in modo tale da aumentarne le caratteristiche di resistenza e rigidità solo nei punti maggiormente sottoposti a sollecitazione, una prerogativa resa possibile dal tipo di rinforzo e dall'orientamento delle fibre.


















PROCESSI PRODUTTIVI

Stesura manuale


E' un processo tuttora largamente diffuso per lavori su superfici ampie quali piscine e scafi di imbarcazioni per i quali la produzione si svolge tipicamente per piccoli lotti.  Rinforzi in fibra di vetro sono stesi all'interno dello stampo sotto forma di trefoli di fibre o di tessuti.  Le fibre vengono poi imbevute di resina catalizzata e consolidate manualmente usando rulli di metallo o di plastica.


Resin transfer molding (RTM)


Il resin transfer molding e' un processo produttivo adatto a lotti medi che produce articoli finali con superfici finite su entrambi i lati.  Un preformato in fibra di vetro viene inserito in un o stampo chiuso. Successivamente, della resina catalizzata viene pompata a pressione all'interno dello stampo.  Sia la resina che lo stampo sono pre-riscaldati per accelerare il processo di indurimento.  Stampi più duraturi e tecniche di iniezione della resina controllate da software specializzati hanno ampliato il campo di applicazione tipici dei processi produttivi del tipo RTM.


Filament winding


Il filament winding e' la tecnica produttiva preferita per la produzione di articoli di forma cilindrica come tubature, canaline e serbatoi.  Strati continui di fibra di vetro vengono impregnati di resina catalizzata e avvolti attorno ad un mandrino rotante secondo uno schema deciso in ragione delle caratteristiche desiderate nel prodotto finale.





Pultrusione


La pultrusione dei materiali compositi e' il processo produttivo normalmente impiegato nella produzione di canne, di articoli a sezione cava e di profilati vari.  Strati continui di fibra rinforzata vengono impregnate con resina catalizzata e fatte poi passare attraverso una maschera di metallo riscaldata usando un apposito macchinario che "tira" il materiale composito.  L'altra concentrazione di rinforzi in fibra di vetro garantisce l'alta resistenza del prodotto finito.


Vacuum infusion


La vacuum infusion dei materiali compositi e' un processo produttivo sempre più usato per ridurre le emissioni di vapori di stirene, per migliorare le qualità del prodotto e per ridurre i costi di manodopera.  Nel processo ad infusione sotto vuoto, il rinforzo viene racchiuso in un contenitore di plastica a tenuta ermetica in cui viene poi ottenuto il vuoto pneumatico, il quale, a sua volta, provoca l'ingresso della resina catalizzata che si va a depositare sul rinforzo.

Le tecnologie più avanzate applicate a questo processo produttivo consistono in tecniche di canalizzazione della resina più sofisticate e nell'impiego di resine gelatinose ad indurimento ritardato.  Il risultato finale e' la possibilità di poter creare anche prodotti finiti dalla forma complessa e/o di grosse dimensioni.




Bulk Casting


Il bulk casting dei materiali compositi e' un processo adoperato soprattutto per la produzione di articoli decorativi dall'aspetto gradevole e di qualità come pianali per cucine, piani d'appoggio per tavoli, mensole, box doccia, etc.

Additivi minerali vengono miscelati con resina liquida catalizzata fino a formare una mistura densa che viene poi introdotta nello stampo.  Si ottengono cosi ' prodotti finiti che simulano molto realisticamente materiali quali marmo, granito, onice e altre pietre da costruzione.


Centrifugal casting


Il centrifugal casting nei materiali compositi e' un Processo adatto alla produzione di alti volumi di tubature e condutture cilindriche. Una miscela di resina e di rinforzo viene progressivamente introdotta in uno stampo cilindrico che viene poi fatto ruotare ad alta velocità forzando così la miscela contro le pareti dello stampo.  Il risultato e' un prodotto finito cavo le cui pareti presentano caratteristiche di alta resistenza e densità. Durante l'operazione di centrifuga al miscela viene riscaldata per velocizzare l'indurimento, e, in generale, per migliorare la resa del processo.


Continuous molding


Il continuous molding dei materiali compositi e' un processo produttivo tipico dell'industria automobilistica e si svolge usando stampi riscaldati in acciaio.  Di conseguenza si tratta di una tecnica produttiva costosa e riservata a cicli con lotti di produzione ad alto volume.


Continuous profile


Il continuous profile nei materiali compositi e' un processo produttivo tipicamente impiegato nella produzione di prodotti finiti in fogli quali quelli adoperati nell'edilizia.  Un foglio di fibra di vetro inserito "a sandwich" tra due pellicole di rilascio ed appoggiato su un nastro trasportatore, viene impregnato di resina catalizzata.  Il tutto e' poi fatto passare in un forno di curvatura assieme ai profilati necessari per ottenere il prodotto finito.  Una volta uscito dal forno il foglio indurito così ottenuto viene tagliato a misura.


IMPIEGHI


I compositi sono utilizzati per applicazioni che richiedono un'elevata rigidezza e/o forza come ad esempio i bracci robotizzati, le ali di aeroplani, le mazze da golf, i pali dell'illuminazione stradale ecc.
Le fibre sciolte o tessute rappresentano il composito attualmente più noto e utilizzato. Tali materiali compositi hanno forza e resistenza di alto livello e vengono impiegati in applicazioni per parti sottoposte a calore, usura, così pure per imbarcazioni, serbatoi, componenti del settore automobilistico, sportivo, aeronautico, medicale, ecc.

Un composto laminato è la forma strutturale avanzata di materiale composito di gran lunga più comune. I compositi laminati possono essere immaginati come fogli di fibre continue, stratificati in modo tale che le fibre di ognuno di essi siano orientate in una direzione stabilita. Una combinazione stratificata di tali fogli con orientamenti o angoli diversi costituisce un laminato tecnico. I compositi laminati sono utilizzati dove è richiesta un'elevata stabilità dimensionale abbinata ad un'alta resistenza all'usura, esempio nastri per i telai tessili e racle per l'industria cartaria.


Vari materiali compositi sono usati in strutture quali ad esempio quelle impiegate sul Boeing 777 a motivo della loro resistenza e leggerezza, nonché della resistenza alla fatica, alla corrosione e agli impatti.














REPERIBILITA'

La reperibilità dipende dai vari materiali che vengono usati in partenza


RAPPORTO COSTO-BENEFICI


La resistenza alla corrosione e all'aggressione degli agenti atmosferici tipica dei materiali compositi riduce sensibilmente i costi di manutenzione ed estende la durata utile dei prodotti finiti.  La maggior leggerezza rispetto ai materiali tradizionali si traduce invece in un risparmio sui costi di stoccaggio, movimentazione, trasporto e installazione.  La possibilità di disegnare prodotti finali che richiedono un minor numero di parti da assemblare, infine, genera risparmi nei processi di produzione dei materiali compositi.
































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