Materiali compositi

Un materiale composito è un prodotto ottenuto combinando fisicamente due o più materiali (componenti) per produrre una combinazione (miscela) di proprietà strutturali non presenti in alcun singolo componente. Possono, ad esempio, fornire una maggiore resistenza e rigidità di quella che si trova in uno qualsiasi dei componenti separati pur essendo leggeri quanto piu’ possibile.

I compositi sono sempre più sviluppati per una moltitudine di utilizzi. Ad esempio, i compositi rinforzati in fibra vengono utilizzati per sostituire materiali come i metalli e le loro leghe.
I compositi sono progettati per offrire:
• Leggerezza
• rigidità e forza
• basso coefficiente di espansione
• resistenza contro l’usura
• facilità nella produzione di forme complesse
• facilita’ nella riparazione di strutture danneggiate
• resistenza alla corrosione

Esistono molti tipi diversi di compositi. Questa unità ne esamina due tipi che sono di grande importanza e che sono attualmente in fase di sviluppo per molti usi:
• Compositi polimerici rinforzati con fibre
• Compositi rinforzati con particelle

Fasi nei materiali compositi

I compositi rinforzati con fibre e particelle di solito consistono in una fase più o meno continua. Questa fase continua è nota anche come matrice e il materiale distribuito attraverso la matrice è noto come fase dispersa (Figura 1).

La fase dispersa è talvolta chiamata rinforzo  se si tratta di una fase aggiunta per aumentare la resistenza. In alternativa, viene chiamato  riempitivo se viene aggiunto per altri scopi, ad esempio per ridurre il costo del manufatto senza influire sulle proprietà del composito. Ci può anche essere una fase per creare un legame tra livelli o fasi, a volte chiamato  interfaccia.

Quando si progettano i compositi, è necessario considerare i seguenti fattori:

• Le proporzioni della matrice e della fase di dispersione possono variare a seconda dell’uso previsto del composito. La fase di matrice può essere il materiale principale  con particelle o fibre disperse in  esso. Può anche essere la fase minore, più simile alla colla che cementa le particelle o le fibre insieme, fornendo rigidità a matrici di fibre altrimenti molto flessibili e dando una struttura a ciò che altrimenti sarebbero particelle sciolte. La matrice serve anche a proteggere la fase dispersa da danni meccanici e attacchi chimici. Quando la matrice è duttile, impedisce la propagazione di crepe tra fibre o particelle, anche quando è soggetta a usura.
• Le dimensioni e la forma delle particelle e delle fibre della fase dispersa regolano quanto strettamente possano essere impacchettate. Sebbene le particelle più piccole forniscano più superficie per il contatto con la matrice, le fibre più lunghe forniscono un migliore rinforzo. Pertanto c’è un equilibrio da trovare.
• L’interfaccia tra matrice e fase dispersa controlla anche le prestazioni globali del composito. La forza di un composito dipende non solo dalle proprietà della matrice, ma da quanto bene questa e’ legata alle particelle e alle fibre della fase dispersa.

Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

I compositi polimerici rinforzati in fibra (FRP, noti anche come compositi a matrice polimerica (PMC)) sono suddivisi in:

a) Compositi polimerici rinforzati in fibra di carbonio (CFRPs)
b) Compositi polimerici rinforzati in fibra di vetro (GFRPs)
c) Compositi polimerici rinforzati in fibra arammidica (AFRPs)

In ogni caso la fibra è racchiusa in una matrice di resina (la fase continua). Queste matrici sono solitamente acrilo-epossifenoliche o poliestere.

Produzione

La produzione di un composito rinforzato in fibra prevede diversi passaggi in cui viene prodotto il rinforzo (fibra) eventualmente allineato, se necessario, prima dell’introduzione della matrice.

Le fibre polimeriche (ad esempio, le arammidiche, vedi sotto), il vetro e i metalli possono essere prodotti dallo stato fuso per trafilatura. Nella maggior parte dei casi, le fibre di carbonio vengono prima ottenute dalla filatura di un polimero, ad esempio il poli(propenonitrile) (poliacrilonitrile), che viene poi ossidato, e infine pirolizzato. Se le fibre non sono allineate tra loro (orientamento casuale), il rinforzo e la matrice possono essere miscelati insieme come polveri o slurry (dispersione di solidi in liquidi), formati o stampati, e la matrice viene indurita e legata al rinforzo per riscaldamento o per una reazione chimica. La formatura  può essere eseguita mediante stampaggio per iniezione (injection moulding) o per colata del composito. Se richiesto, viene effettuata un’ulteriore lavorazione prima di qualsiasi ulteriore trattamento per indurire definitivamente il composito.

La produzione di compositi rinforzati con fibre orientate (Figura 1) è più complicata. Le fibre possono essere utilizzate come monofilamenti, o possono essere intrecciate in filati contenenti fino a 10000 filamenti. I filati vengono poi trasformati per tessitura o a maglia in tessuti bidimensionali o tridimensionali e possono quindi essere formati in nastri tessendo o intrecciando. I filamenti possono anche essere trasformati in tappetini di fibre non tessuti, orientati casualmente in due dimensioni.

I tappetini, i nastri e i tessuti possono essere impregnati dalla matrice (o materiali da cui viene fatta la matrice) prima dell’assemblaggio e della lavorazione finale e vengono quindi definiti prepreg  (pre-impregnated). Pertanto, non è necessario gestire le singole sostanze chimiche. Il nastro viene semplicemente srotolato e utilizzato come un laminato. L’indurimento è ottenuto riscaldando.

I tessuti e i tappetini sono collocati in stampi, a volte a mano, impregnati con il materiale della matrice e lavorati. Possono essere compressi meccanicamente o mediante tecniche di formazione a pressione o sottovuoto.  I filamenti o nastri possono anche essere avvolti, passando attraverso un bagno di matrice prima di essere trasformati in una forma solida.

Un semplice esempio di prepreg è la benda che viene utilizzata per le ingessature. La benda è fatta di un poliestere ed è impregnata di un poliuretano lineare, la matrice. La benda, il prereg, è flessibile ed è avvolto intorno all’arto rotto. Nel bagno, le molecole di poliuretano reagiscono con acqua per formare collegamenti incrociati tra le molecole (reticolazione), producendo un calco resistente ma leggero.

(a) Compositi polimerici rinforzati con fibre di carbonio (CFRPs)

Le fibre di carbonio sono generalmente prodotte  riscaldando filamenti di poli(propenonitrile) (poliacrilonitrile, PAN) a ca  500 K, in aria,  per formare PAN ossidato. Il PAN ossidato viene quindi posto in un forno con un’atmosfera di un gas inerte come l’argon, e riscaldato a ca  2000 K,  processo noto come pirolisi (riscaldamento di una sostanza in assenza di aria). Il prodotto, in fibra di carbonio, contiene catene di atomi di carbonio che sono legati lato a lato (polimeri a scala), formando stretti fogli di atomi di carbonio, spessi un atomo, noti come grafene. L’isolamento del grafene, da parte dei professori Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester, è stato  così importante che i due scienziati sono stati insigniti del Premio Nobel per la fisica nel 2010.Si può immaginare come un pezzo di gabbia metallica (gabbia per polli!) su una scala molto piccola (atomica). Il grafene è anche la struttura di base della grafite e dei nanotubi di carbonio. Nel caso di una fibra di carbonio, i fogli si fondono per formare un unico filamento circolare. Le fibre di carbonio sono utilizzate come riempitivi in una matrice continua di un polimero, spesso una resina epossidica. Strati di stoffa in fibra di carbonio sono fissati nella forma richiesta, di solito in uno stampo che viene poi riempito con resina epossidica e riscaldato.

Usi

I compositi in fibra di carbonio sono materiali da costruzione relativamente costosi e quindi utilizzati quando le loro proprietà di leggerezza e resistenza sono di fondamentale importanza. Esempi di utilizzo includono attrezzature sportive di alta qualità, come telai per racchette da tennis, mazze da golf e canne da pesca, e in computer portatili e fotocamere.

Essi sono anche ampiamente utilizzati nella costruzione di aerei. Le fusoliere dei nuovi aerei commerciali (il Boeing 787 (Dreamliner) e l’Airbus A350) sono costruite principalmente da CFRP per la sua superiore leggerezza e resistenza.

Un’altra proprietà dei CFRP è sfruttata nei freni degli aerei. Questi devono essere in grado di  assorbire rapidamente notevoli quantità di energia senza guasti meccanici o grippaggio. La costruzione abituale si basa su più dischi rotanti e stazionari, che possono raggiungere temperature superficiali fino a 3000 K. Il materiale a disco deve quindi avere eccellenti resistenze termiche e d’urto e una resistenza ad alta temperatura, insieme a una buona conduttività termica. Il carbonio è un materiale ideale e i dischi sono realizzati in un composito di carbonio dove il riempimento è in fibra di carbonio mentre  la matrice è il carbonio prodotto dalla pirolisi del metano. Inoltre, pesando circa il 30% in meno rispetto ai dischi in acciaio, fanno risparmiare una notevole quantità di carburante.

CFRPs sono stati utilizzati anche per molti anni per costruire la carrozzeria di auto da corsa F1, dando ai piloti una maggiore protezione anche in incidenti a oltre 300 km orari. Ora vengono utilizzati in auto di lusso (parte della gamma Mercedes Benz, e per il tetto della GM Corvette S1) e come equipaggiamento protettivo per i ciclisti.

I CFR sono sempre più utilizzati per “retrofit” delle grandi infrastrutture esistenti, come i ponti in cemento armato. Il tessuto in fibra di carbonio è avvolto intorno alle parti che devono essere rinforzate.

(b) Compositi rinforzati con fibre di vetro (GFRPs)

Le fibre di vetro sono fatte di silice (sabbia), carbonato di sodio e carbonato di calcio insieme ad altri composti aggiunti per fornire le proprietà specifiche richieste. I materiali vengono riscaldati a ca 1700 K in un forno e poi estrusi direttamente dal forno stesso attraverso orifizi metallici (una lega di platino/rodio) di vari diametri (4 – 34 μm) per produrre filamenti. Un avvolgitore ad alta velocità che ruota più velocemente del vetro fuso in uscita li tira sotto tensione in filamenti molto fini. Il numero di orifizi varia da 200 a 8000.

I filamenti sono rivestiti con un lubrificante per proteggerli e impacchettati insieme su un tamburo, come fili su una bobina.
Nella vetroresina, in cui le fibre di vetro sono il riempitivo (fase dispersa), la matrice è di solito una resina di poliestere anche se vengono utilizzati anche polimeri epossidici e acrilici.

Usi

I GFRP sono ampiamente utilizzati nella fabbricazione di imbarcazioni per motivi di costo e manutenzione. Mentre le grandi navi sono di solito costruite in acciaio, oltre l’80% degli scafi marini, di lunghezza inferiore a 40 m, sono realizzati in polimero rinforzato con fibra di vetro. Questo è un processo molto più economico e lo scafo è più facile da mantenere. Inoltre, ci sono alcune applicazioni in cui le proprietà magnetiche, elettriche o termiche dei GFRP sono vantaggiose, un esempio sono i dragamine che devono essere non magnetici per evitare l’attivazione delle mine.

I prepreg in resina fenolica di vetro vengono utilizzati anche per migliorare la protezione dei veicoli corazzati.

(c) Compositi polimerici rinforzati con fibre arammidiche (ARPCs)

Un arammide è  un ammide aromatico polimerico. Il Kevlar®  è un arammide particolarmente usato.

È molto difficile da gestire in quanto l’unico solvente efficace è l’acido solforico concentrato. Il Kevlar®  è fatto di atomi leggeri, ma è molto forte e flessibile,  cinque volte più forte dell’acciaio a parita’ di peso. La sua forza deriva dal modo in cui le catene polimeriche sono allineate, con le molecole planari tenute insieme da legami di idrogeno. Questi fogli di molecole possono impacchettarsi lungo l’asse delle fibre (Figura 2).

Queste fibre, già forti, vengono utilizzate come riempitivi in ARPC con una resina fenolica o epossidica come matrice. Sono particolarmente utili quando l’energia deve essere assorbita e dissipata, e sono anche in grado di resistere all’abrasione.

Usi

Questi compositi sono stati ampiamente utilizzati nell’aviazione, per le pale dei rotori degli elicotteri, nello sport, per fare racchette da tennis, badminton e squash, e in barche come kayak e gommoni.

Compositi rinforzati con particelle (PRCs)

Ci sono essenzialmente due tipi di compositi rinforzati con particelle: quelli con particelle di grandi dimensioni e quelli con particelle di piccole dimensioni. La classificazione non e’ strettamente fatta in base alle dimensioni fisiche delle particelle ma piuttosto secondo il meccanismo di rinforzo. In un composito rinforzato con piccole particelle il meccanismo è a livello molecolare e le particelle possono essere disperse o precipitate dalla matrice.

Nei compositi rinforzati con grandi particelle, come suggerisce il nome, vengono coinvolte particelle più grandi e c’e’ una distribuzione del carico tra le fasi. Qualunque sia la loro geometria, le particelle sono piccole rispetto alle dimensioni della struttura e distribuite uniformemente attraverso di essa.

Le particelle possono migliorare la resistenza del composito alla frattura rispetto a quella della matrice prevenendo o impedendo la propagazione delle crepe attraverso la matrice, fermando le fessure bloccandole fisicamente o deviandole e dividendole in modo da ostacolarne la progressione attraverso il pezzo. Possono anche migliorare la rigidità e la resistenza del composito rispetto a quello della matrice, sopportando una parte del carico.

Usi

Il calcestruzzo è un semplice esempio quotidiano di PRC e la sua composizione varia in base all’uso previsto. La matrice più comune è un impasto di cemento di Portland, che subisce reazioni chimiche che portano all’assestamento in poche ore con l’indurimento che continua per un certo numero di settimane o mesi. Questo materiale è rinforzato con inerti (la fase dispersa) come ciottoli o schegge di pietre (1-2 cm) e sabbia (1-2 mm). Oltre al rinforzo, la fase dispersa porta altri benefici. Le reazioni di assestamento iniziali del calcestruzzo sono esotermiche e, quando vengono utilizzati solo cemento e acqua, questo porta a problemi di dissipazione e screpolature. L’aggiunta dell’aggregato migliora questo problema agendo come un dissipatore di calore riducendo, quindi, la velocità e l’ampiezza dell’aumento di temperatura.

Il calcestruzzo spesso contiene una fase aggiuntiva sotto forma di filo d’acciaio, tondini o cavi per dare una resistenza ancora maggiore.
I Carburi refrattari sono materiali ceramici resistenti all’usura come i carbidi di titanio e tungsteno (TiC e WC). Possono essere incorporati in una matrice di metallo, spesso cobalto o nichel, per fare punte da taglio per le macchine utensili. Questo è un esempio di cermet, una combinazione di ceramica e metallo. Il carburo fornisce la testa resistente all’usura, ma da solo si frantumerebbe all’impatto con il metallo da modellare. La matrice metallica aggiunge resilienza ed è più facile da produrre. Nel corso del tempo, poiché le particelle vengono rimosse, quelle fresche sono esposte per mantenere il tagliente tagliente, rendendo l’utensile in una certa misura auto-affilante.
Il Carbon black è costituito essenzialmente da particelle sferiche di carbonio prodotte dalla combustione di petrolio o gas con una limitata quantità di ossigeno, ed è spesso conosciuto come nerofumo. L’uso più importante delle particelle di Carbon Black è come fase di rinforzo del particolato nella gomma utilizzata nella fabbricazione di pneumatici. Gli pneumatici possono essere realizzati con diverse miscele di gomma naturale e gomme sintetiche, a seconda del suo uso previsto (ad esempio per la parete laterale, il battistrada o il rivestimento interno).

Le gomme sintetiche includono:

• poli(buta-1,3-diene) (poliisoprene)
• co-polimeri di feniletene (stirene) e buta-1,3-diene
• I copolimeri brominati del 2-metilpropene (isobutene) e isoprene

L’uso del carbon black nella gomma ha migliorato la resistenza all’usura. Tuttavia, affinché il rinforzo sia efficace, le particelle devono essere nell’intervallo 20-50 nm, distribuite uniformemente in quantità fino al 30% e ben incollate alla matrice. Anche se più costosi da produrre, gli pneumatici realizzati con questo composito hanno una maggiore longevità.

Ultimo aggiornamento 18 marzo 2013

Edizione italiana a cura di Salvatore Santagata e Valter Ballantini 30 ottobre 2020

Foto in alto da Obi Onyeador on Unsplash