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MATERIALI
COMPOSITI
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La combinazione di due o piu’ materiali diversi in un materiale composito produce oggi materiali e strutture che trovano applicazioni vaste e sempre piu' numerose. In alcuni casi il materiale composito viene prodotto per impartire alla matrice che lo contiene proprieta' genericamente migliori, in molti casi il materiale composito viene progettato in modo tale che le sue proprieta' 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, e' interessante comparare le proprieta' meccaniche di alcune fibre e matrici polimeriche (Tabella 1). |
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Tabella
1: proprieta' di alcune fibre e matrici polimeriche comunemente
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Fibre
di carbonio, aramidiche (tra le quali il Kevlar) o vetro possiedono
modulo elastico (rigidita') o resistenza molto piu'’ 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 produrra' una struttura che, sollecitata a trazione nella direzione secondo la quale sono disposte le fibre, presenta una rigidita' anche di 2 volte superiore a quella di una struttura in acciaio delle stesse dimensioni (il modulo elastico del composito puo'’ raggiungere i 400 GPa, il doppio di quello dell’acciaio che e' uguale a 200 GPa), con una resistenza a rottura 4-5 volte piu'’ alta. Inoltre, la struttura realizzata con il composito di fibre di carbonio e resina epossidica pesera' circa 4 volte di meno, con chiari vantaggi per tutte quelle applicazioni nelle quali il comportamento, l’economicita', o la possibilita' 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 proprieta' del manufatto siano pressoche' indipendenti dalla direzione di applicazione del carico, avra'’ una rigidita' che e’ circa la meta' di quella dell’acciaio, conservando pero' il notevole vantaggio di pesare ancora circa 4 volte di meno. Il favorevole rapporto tra prestazioni meccaniche e peso motiva il sempre piu' 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. Molteplicita' di processi di fabbricazione, rapidita' di produzione, adattabilita' a forme e requisiti complessi, possibilita' di ottenere manufatti con proprieta' 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 possibilita' di disporre fibre o tessuti di rinforzo nella matrice polimerica in direzioni volute, privilegiando rigidita' e resistenze in tali direzioni, costituisce un’opportunita' unica di progettazione e realizzazione contemporanee di una struttura, assente per gli altri tipi di materiali. E cosi' 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 puo' essere ottenuto disponendo le fibre prescelte, in quantita' e direzioni opportune, nel pezzo senza che sia per questo necessario variarne forma o dimensioni. La progettabilita' costituisce senz’altro la caratteristica piu' "stimolante" di un materiale composito, unico tipo di materiale che puo' essere prodotto nella forma definitiva e con le proprieta'’ 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 manovrabilita' 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
e' 1.5, mentre per strutture in materiale composito si utilizza
un
fattore piu' elevato, 2 o piu', 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 e' sicuramente uno dei fattori limitanti
per
un piu' 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 possibilita' di modulare
le caratteristiche elastiche ed ultime a seconda della percentuale
e dell’orientazione delle fibre, esige una conoscenza accurata
della teoria dell’elasticita' ortotropa che usualmente non costituisce
un bagaglio culturale tipico per l’ingegnere progettista. |
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Tabella 2: alcune applicazioni dei materiali compositi a matrice polimerica.
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La
diffusione delle conoscenze relative alle tecniche progettuali con
i materiali compositi dovra' pero' 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, benche' ancora ampiamente
utilizzate, non consentono infatti il raggiungimento di elevati livelli
di produttivita'. Esistono poi delle tecnologie, parte gia' 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 e' 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 piu' ampliare i settori di utilizzazione di questi materiali. |