Che cos'è un materiale composito?

I materiali compositi avanzati hanno ampi impieghi e vantaggi nella progettazione e nella produzione di prodotti in tutti i settori industriali verticali, tra cui l'aerospaziale, l'automobilistico, il navale, l'elettronica di consumo, i dispositivi medici, le attrezzature industriali e altro ancora. Vediamo cosa sono in generale i materiali compositi, la loro storia, di cosa sono fatti, come si producono, i diversi tipi e i loro vantaggi e gli esempi di utilizzo.

Un materiale composito è letteralmente qualsiasi materiale costituito da due o più materiali. Tra questi vi sono elementi come il calcestruzzo, il compensato e persino i mattoni di paglia egiziana risalenti a 6.000 anni fa.

Questa discussione si concentrerà sui materiali compositi avanzati, che sono tipicamente rinforzi in fibra forte inseriti nella resina. Le organizzazioni che si occupano dello sviluppo di prodotti li utilizzano perché possono essere progettati per ottenere rapporti di resistenza e rigidità più elevati rispetto al loro peso, superando materiali standard come acciaio, alluminio e titanio. Possono anche essere fabbricati in forme personalizzate per le loro applicazioni.

I materiali compositi avanzati, così come li conosciamo, sono il risultato dello sviluppo di resine e fibre di rinforzo. Le resine plastiche sintetiche sviluppate per la prima volta nell'era moderna comprendono:

• Il polistirene nel 1839
• Resine poliestere nel 1847
• Cloruro di polivinile (vinile) nel 1872
• Resine fenoliche nel 1907

Aziende chimiche, scienziati e ingegneri hanno sviluppato e perfezionato per decenni i processi di sintesi di queste e altre resine. Questo lavoro continua ancora oggi.

I materiali di rinforzo in fibra sviluppati nel secolo scorso hanno portato all'utilizzo di materiali compositi avanzati nella costruzione di imbarcazioni, nella difesa, nel settore aerospaziale, nell'industria automobilistica, nei prodotti di consumo, nella medicina e in altri settori. Questi materiali includono:

• La fibra di vetro nel 1932
• Fibre di carbonio commerciali ad alto modulo nel 1964
• Kevlar introdotto pubblicamente nel 1971
• Tessuto ceramico Nextel 312 di 3M nel 1974

L'uso di materiali compositi avanzati ha subito un'accelerazione durante la Seconda Guerra Mondiale per rendere più leggeri gli aerei e ospitare le apparecchiature radar. Nel dopoguerra, i materiali compositi hanno iniziato a essere utilizzati nelle automobili, nelle barche e persino nelle tavole da surf. Dagli anni '70, nuovi materiali e metodi hanno ampliato l'uso dei materiali compositi in tutto il mondo.

I materiali compositi avanzati sono tipicamente costituiti da un rinforzo in fibra e da una resina (nota anche come matrice). Alcuni progetti di compositi contengono anche un nucleo spesso ma a bassa densità.

Parliamo di questi aspetti in modo più dettagliato.

I rinforzi in fibra più comuni includono materiali come il vetro, il kevlar, la fibra di carbonio, il quarzo e il boro.

Le fibre di vetro più comuni includono il vetro E, noto come "vetro elettrico" per le sue proprietà isolanti, e il vetro S, fibre ad alta resistenza e rigidità con un elevato contenuto di silice. Il vetro S può essere utilizzato in ambienti difficili come gli aerei. I tipi di fibre di carbonio comprendono quelle a base di PAN (poliacrilonitrile) e quelle a base di pece.

Il Kevlar è comunemente noto al pubblico per il suo utilizzo nei giubbotti antiproiettile e nelle protezioni balistiche, ma può anche essere trovato come ingrediente antiaderente nelle pentole. Grazie alla sua resistenza al calore, alle radiazioni e ai prodotti chimici, il Nomex può essere trovato nell'equipaggiamento antincendio, nelle tute da volo e nelle uniformi degli equipaggi dei veicoli da combattimento.

Le fibre possono essere tessute o cucite in tessuti unidirezionali o multiassiali, oppure utilizzate come parte di un tappeto a fili tagliati o continui.

Le resine sono polimeri, molecole molto grandi che consistono in lunghi rami ripetuti di unità chimiche più semplici, note come monomeri. Le resine possono essere organiche o sintetiche. Vengono inserite in uno stampo con alcune fibre. Durante il processo di indurimento, si trasformano da liquide a solide.

La matrice di resina trattiene i rinforzi in fibra e trasferisce i carichi strutturali da una fibra all'altra. I materiali più comuni sono l'epossidico, il policianato, il poliestere e l'estere di vinile.

Il materiale d'anima aggiuntivo tra gli strati di fibre e resina aumenta la rigidità e la forza in curva e la resistenza alla deformazione di diverse volte rispetto a un progetto in composito senza anima. Tuttavia, il peso aumenta in genere solo di qualche punto percentuale.

Per mantenere il peso aggiuntivo basso ma aggiungere rigidità, l'anima può essere costituita da una struttura a nido d'ape. Si tratta spesso di celle esagonali, prodotte con un metodo di espansione di fogli laminati, un processo di ondulazione o un metodo di stampaggio. Le anime a nido d'ape sono comunemente realizzate in Nomex o alluminio. Tuttavia, esistono anche anime in schiuma, come il PVC (cloruro di polivinile) e il SAN (stirene acrilonitrile).

La fabbricazione di prodotti in composito è contemporaneamente una scienza, un'abilità e un'arte. La maggior parte dei compositi viene prodotta utilizzando uno stampo aperto o chiuso.
Per avere una visione generale di ciò che riguarda la produzione di prodotti in composito, diamo un'occhiata al processo di stampaggio a trasferimento di resina ( Resin Transfer Molding) e di stampaggio a trasferimento di resina assistito da vuoto. (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding).

1. Mescolare le resine. È importante mescolare accuratamente la resina per evitare la formazione di bolle d'aria.
2. Preparare i rinforzi in fibra dai rotoli per l'applicazione della resina. Ciò può comportare il taglio, il posizionamento nello stampo e l'applicazione di strisce strette nei punti di incontro o intersezione delle parti.
3. Posare i rinforzi in fibra come una pila asciutta nello stampo. Quindi fissare un secondo stampo sopra il primo.
4. Iniettare la resina nella cavità dello stampo sotto pressione.
5. Se si applica il vuoto per favorire l'estrazione della resina nello stampo, il processo è noto come stampaggio a trasferimento di resina assistito da vuoto.
6. Polimerizzare il pezzo nello stampo a temperatura ambiente, in autoclave o in forno.
7. Tagliare e rifinire la forma finale.

Altri metodi di stampaggio includono:

• Stampaggio a iniezione
• Stampaggio a compressione
• Avvolgimento del filamento
• Pultrusione
• Stampa 3D
• Metodi manuali come la stratificazione a spruzzo, la stratificazione a umido e la stratificazione a umido con sacco a vuoto.

Le parti in composito possono essere prodotte anche a partire da un "prepreg", ovvero un tessuto di fibre di rinforzo pre-impregnato con una matrice di resina parzialmente polimerizzata e un agente indurente. Il prepreg può essere posato direttamente nello stampo. Per completare il processo di polimerizzazione sono necessari calore e pressione.

Esistono molte varianti dei processi utilizzati per la produzione di parti in composito. Ogni anno vengono sviluppate nuove tecniche e processi.

Data l'ampia varietà di materiali che possono essere utilizzati come rinforzi di fibre e resine, esistono numerose classi di compositi. Ne esploriamo alcune.

I compositi a matrice metallica hanno un metallo come alluminio, magnesio o titanio come resina (matrice). Il rinforzo in fibra può essere un metallo o una ceramica, come acciaio, fibra di carbonio, carburo di silicio o allumina. Il rinforzo in fibra può essere continuo, discontinuo o in particelle. Questi compositi hanno un elevato rapporto resistenza/peso, resistenza sia in trazione che in compressione, elevata resistenza al creep e minore espansione alle alte temperature. Si trovano nelle trasmissioni, nei cambi, nelle carrozzerie dei veicoli e persino nelle attrezzature sportive.

I compositi a matrice ceramica, come dice il nome, hanno la ceramica come rinforzo delle fibre e come matrice della resina. La ceramica è un materiale solido inorganico non metallico, generalmente caratterizzato da durezza e resistenza alla corrosione. La fibra e la resina possono essere di carbonio, carburo di silicio, allumina o altri materiali. Data la loro resistenza al calore e alla corrosione, trovano molte applicazioni nei motori, nelle turbine, nelle automobili (freni) e nel settore aerospaziale.

Sebbene la fibra di vetro sia un componente dei GFRP, il termine fibra di vetro è spesso usato in modo intercambiabile come nome del materiale composito. Uno dei primi impieghi non militari dei compositi è stato lo scafo di una barca in vetroresina nel 1942. Grazie al suo basso costo, si trova anche in serbatoi di stoccaggio, sistemi di tubature e varie applicazioni domestiche.

Questi compositi sono probabilmente i più riconoscibili per il loro distinto motivo a tratteggio nero. Le fibre di carbonio sono inserite in matrici polimeriche o plastiche come quelle elencate nella sezione delle resine. Grazie alla possibilità di modellarli in un'ampia varietà di forme, possono essere utilizzati in molti settori e applicazioni, tra cui l'aerospaziale, l'automobilistico, l'edilizia, l'elettronica di consumo, gli articoli sportivi, i dispositivi e gli impianti medici e altro ancora.

I materiali compositi sono presenti in prodotti di ogni tipo perché possono essere progettati in base alle dimensioni, alla forma e alla resistenza necessarie per il loro utilizzo.

I compositi possono essere polimerizzati in forme meno costose da lavorare e con meno scarti rispetto agli stessi pezzi prodotti con i tradizionali metodi di produzione sottrattiva (ad esempio, fresatura, tornitura, fusione e stampaggio a iniezione).

Le parti in composito possono essere progettate in base ai carichi necessari che incontreranno. L'incorporazione di un nido d'ape di spessore tre volte superiore a quello della fibra-resina può aumentare la rigidità di 30-40 volte e la resistenza di oltre nove volte rispetto alla stessa struttura senza nido d'ape. Tutto questo a fronte di un aumento di peso di qualche punto percentuale. Questo è uno dei motivi per cui le strutture in composito possono avere rapporti forza-peso più elevati rispetto a parti simili realizzate con metalli tradizionali continui come acciaio, alluminio, rame, ottone, bronzo, ferro o titanio.

Le fibre composite possono presentarsi in fili continui, rotoli intrecciati, tagliati e in particelle. Le resine vengono prodotte nei compositi in forma liquida e polimerizzano in forma solida. Pertanto, i compositi possono essere formati in qualsiasi forma che possa essere costruita dallo stampo. I materiali compositi possono anche essere stampati in 3D (come nella produzione additiva).

A seconda della scelta dei materiali per le fibre e la resina e dei rivestimenti applicati durante il processo di produzione, i materiali compositi possono essere resistenti all'esposizione chimica, alla corrosione e alla penetrazione dell'umidità.

A seconda delle fibre, delle resine, dei rivestimenti e dei processi di produzione, i materiali compositi possono essere progettati per resistere alle condizioni degli ambienti operativi. Ciò può includere la resistenza alla temperatura, alle radiazioni e al carico di fatica. I materiali compositi spesso richiedono meno manutenzione rispetto a parti simili realizzate in metallo, plastica o cemento.

I compositi come i CMC e i GFRP possono essere realizzati con materiali che sono isolanti elettrici e quindi incapaci di trasportare una carica elettrica. Altri compositi sono realizzati con materiali a basso coefficiente di conducibilità termica, che li rendono eccellenti isolanti termici..

Dagli anni '40, i materiali compositi avanzati sono stati utilizzati praticamente in ogni settore. Ne vediamo alcuni.

Ogni azienda aerospaziale si preoccupa di ridurre il peso. Una massa inferiore si traduce direttamente in prestazioni e capacità di un veicolo. Le aziende che producono razzi tengono conto del costo per libbra o grammo. Qualsiasi risparmio di peso migliorerà il prodotto. I compositi sono presenti in ogni settore di aerei, veicoli di lancio e satelliti, tra cui fusoliere, superfici di volo, telai strutturali, motori, turbine, carrelli di atterraggio e avionica. Il Boeing 787 Dreamliner è il primo aereo di linea con una cellula realizzata principalmente in materiali compositi.

È molto probabile che le autostrade e i ponti su cui passate con la vostra auto siano realizzati con materiali compositi come il calcestruzzo asfaltato, le pavimentazioni composite e le armature in fibra di vetro. Sebbene siano più costosi del calcestruzzo, i compositi sono utilizzati anche nell'edilizia per il loro peso ridotto, la durata e la resistenza alla corrosione. Vengono utilizzati anche nei servizi pubblici, come le reti elettriche e gli acquedotti.

I materiali compositi possono essere progettati in base alla resistenza al calore, alla conducibilità elettrica o all'isolamento e all'aspetto. Questo li rende ideali per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui circuiti stampati, motori, interruttori, interruttori automatici, trasformatori, alloggiamenti, schermi, antenne e componenti per l'illuminazione.

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