I materiali compositi sono per definizione materiali costituiti da 2 o più fasi (dette componenti). Valga che:

• Abbiano una chiara superficie d’interfaccia macroscopica
• Siano chimicamente distinti, non ci sono legami forti tra i componenti
• Abbiano caratteristiche fisico-meccaniche significativamente diverse;

Attualmente, l'ultima affermazione, soprattutto per i compositi metallici, trova sempre meno sostegno nel campo sperimentale. I campi di ricerca sono indirizzati verso un'omogenizzazione delle caratteristiche fisico meccanica (es. matrice metallica con inglobate delle particelle di carburo di silicio , cioè gli alluminati sick).

Alcuni esempi di materiali compositi sono : Calcestruzzo , cemento armato (il cemento è l’equivalente della resina mentre i tondini l’equivalente del carbonio) e le ossa.

Un materiale composito è fatto da un rinforzo e da una matrice. Rinforzo : l’elemento più resistente presente in fase discontinua, quello che mi dà la struttura. Matrice :l’elemento meno resistente presente in fase continua, ciò che amalgama il tutto e che trasmette il carico.

Il materiale composito bicomponente avrà caratteristiche che sono differenti sia da quelle del rinforzo che da quelle della matrice. Le proprietà fisico-meccaniche dei materiali compositi dipendono da:

1. Proprietà di rinforzo e matrice
2. Concentrazione di rinforzo e matrice
3. Forma del rinforzo (fibre,particelle)
4. Dimensione del rinforzo
5. Distribuzione del rinforzo
6. Orientamento del rinforzo all'interno della matrice (unidirezionali, bidirezionali…)
7. Interazione rinforzo-matrice;

In genere, in un materiale composito a fibra lunga si arriva ad una concentrazione del 40/50% di fibra mentre difficilmente si raggiungono valori più alti. Per i nano compositi si ha una concentrazione del 2/3% in fibra. Il valore della concentrazione dipende principalmente dalla forma della fibra, dalla sua dimensione, dalla disposizione del rinforzo, dall’orientamento rispetto alla matrice ed infine da quanto si lega il rinforzo con la matrice cioè quanto sono coesi.

Soluzioni standard per la lavorazione dei metalli non possono essere date per scontato coi compositi. Per esempio, gli sforzi di taglio solitamente nei materali“ classici “ hanno un ruolo marginale nel dimensionamento, cioè si progetta strettamente rispetto al momento flettente e nel 99% dei casi le tensioni generate dal taglio sono decisamente inferiori. Con i materiali compositi invece questo non è sempre vero per via delle disposizione delle fibre. Quando si progetta un materiale di tale genere è necessario tenere in alta considerazione tutte le caratteristiche della sollecitazione in egual modo.

Segue uno schema sulla classificazione dei materiali compositi:

I compositi possono essere fibrosi o particellari, questi ultimi ci interessano meno perchè sono prevalenti nelle applicazioni strutturali. I fibrosi possono essere ad uno o più strati, di cui quest'ultimi detti laminari od ibridi a seconda della loro composizione. I compositi fibrosi ad uno strato possono presentare con orientazione casuale o preferenziale trame discontinue di fibre di rinforzo (detto anche fibre corte) o, con trame mono o bidirezionali, trame continue di fibre di rinforzo (dette anche fibre lunghe).

Nell'immagine che segue abbiamo a destra lamine unidirezionali e multilayer ed a sinistra tessuti trama e ordito.

Le fibre solitamente hanno un elevato rapporto [rigidezza/peso], ovvero sono molto rigide e poco dense ed hanno un elevato rapporto [carico di rottura/peso]. Tutto ciò è dovuto all'effetto scala. Dalla meccanica della frattura di Griffith sappiamo che un campione di un materiale di dimensioni minori ( nel caso della fibra si parla di dimensioni tra i 10-100 micron) rispetto ad un campione dello stesso materiale di dimensioni maggiori avrà una resistenza e rigidezza molto più alta poiché si ha una minore presenza di difetti. Questo è l’effetto scala che si utilizza per le fibre.

Si usano principalmente tre tipi di fibra: fibra di vetro, fibra aramidica e fibra di carbonio. Le seguenti immagini ne elencano le caratteristiche principali.

La fibra di vetro, come la vetroresina, è probabilmente la più utilizzata. Le fibre aramidiche, vedi kevlar su tutte,hanno anch’essa buona caratteristiche di rottura e ciò che le distingue principalmente dalla fibra di carbonio è che hanno una buona resistenza all’urto (è duttile come materiale). Infine la fibra di carbonio è quella più utilizzata nell'ambito automotive con fibre che arrivano anche ad 800 GPa in modulo di Young. Il problema principale di tali fibre è che sono facilmente infiammabili ed inoltre, avendo un elevato potenziale elettrolitico, se poste a contatto con dell’alluminio si rischia un passaggio ionico che tenderebbe a far sgretolare il carbonio. Nelle giunzioni si deve prestare particolare attenzione ad evitare l'effetto pila.

La produzione delle fibre avviene con processi che presentano un basse rateo di produzione rendendo il materiale composito a fibre di carbonio inadatto ad una produzione in grandi quantità. Al di fuori del ristretto numero di aziende produttrici (se ne contano 5 sparse in Turchia, Giappone, USA, Cina), il processo di fabbricazione che rende veramente difficoltosa la produzione è la pirolisi.

La matrice ha funzioni diverse rispetto al rinforzo ( il quale deve solo resistere al carico e dare rigidezza):

• Deve tenere insieme le fibre
• Trasmettere il carico alle fibre
• Proteggere le fibre da azioni di taglio
• Proteggere le fibre da agenti corrosivi ed atmosferici;

Si richiede inoltre che la matrice abbia le seguenti proprietà:

• Buone caratteristiche meccaniche
• Resistenza alla corrosione e agli agenti atmosferici
• Avere una elevata tenacità, cioè deve essere abbastanza duttile;

I materiali compositi posso essere classificati a seconda della tipologia di matrice.

Possiamo avere:

• Materiali compositi a matrice ceramica (CMC)
• Materiali compositi a matrice metallica (MMC)
• Materiali compositi a matrice polimerica (PMC)

Le matrici polimerica son composte da polimeri che possono essere termoplastici o termoindurenti. I polimeri termoplastici fondono con l'apporto di calore e possono essere rifusi, la loro struttura macromolecolare è lineare o ramificata. I polimeri termoindurenti non possono essere rifusi o ristampati e la loro struttura è reticolare.

Le matrici termoplastiche hanno un'elevata resistenza all'urto, sono adatte ad applicazioni criogeniche e presentano una buona resistenza all'umidità. D'altro canto hanno un'elevata viscosità che non permette di riempire omogeneamente gli spazi tra le fibre rischiando di ottenere un prodotto finito con vuoti che poi portano a rottura. Le matrici termoindurenti sono molto usate: garantiscono una buona impregnazione delle fibre grazie alla loro bassa viscosità. Esempi possono essere le resine epossidiche che presentano un basso ritiro, buona resistenza a frattura e resistenza a corrosione/umidità. Le resine di poliestere e fenoliche sono altri esempi, ove le prime son economiche e le seconde hanno un'ottima resistenza a temperatura. Attualmente la ricerca sta spingendo molto sulle resine, su come incrementare le proprietà in termini di resistenza a temperatura e al processo di produzione.

Un parametro molto importante nella scelta della matrice polimerica è la temperatura di transizione vetrosa (GT=Glass Temperature) che rappresenta il valore di temperatura al di sotto della quale un materiale amorfo si comporta da solido vetroso. Matrici con bassa TG non sono adatte al lavoro in ambienti troppo caldi. Oltre alla complessa tecnologia, un grosso problema delle matrici polimeriche è la loro riciclabilità. Difficilmente matrici performanti sono anche “green”.

Il processo di polimerizzazione è quello usato per la produzione dei materiali compositi in esame. Gli elementi chiavi di tale processo sono pressione e temperatura per attivare i legami: in qualsiasi metodo usato pressione e temperatura vengono sempre fornite. Inizialmente la resina si presenta liquida e la si rende malleabile con la fase di gelificazione (polimerizzazione del 70% della matrice) e tale processo avviene somministrato calore ad una certa temperatura. Successivamente si innalza ancora la temperatura e la pressione per entrare nella fase di curing ove avviene un incremento della compattezza e del legame fibra matrice ed una riduzione delle tensioni residue dovute al ritiro differente tra fibra e matrice. Infine, a pressione ambiente ma con una temperatura superiore, si svolge la fase di post-curing ove sussiste un ulteriore indurimento della matrice ed un'ulteriore riduzione delle tensioni residue (in modo da alzare la TG). Segue immagine.

E’ la metodologia più consolidata per fare i manufatti in composito. I prepreg sono tessuti di carbonio già impregnati di resina in una quantità fissata. Si comprano dai produttori i rotoli di tale preimpregnato con quantità fissa di fibra e resina, in questo modo si è certi che al di sotto di quel rapporto carbonio/resina non si può andare.Si ha una bassa percentuali di vuoti( < 0.5%) ed una distribuzione omogenea della resina. L’autoclave è un recipiente in pressione, dove la pressione all’interno varia tra i 3 ed i 6bar. Il pezzo di carbonio viene posto su di uno stampo e si tira via l’aria dal pezzo avvolgendolo in un vacuum bag così da eliminare l’aria al suo interno e guadagnare il deltaP all’interno dell’autoclave. All’interno di quest’ultimo si può dare sia pressione che temperatura, si fa il ciclo di curing, post-curing e gel. I prepregs sono stoccati in celle frigorifere per impedire alla resina d’indurire poiché è un processo che si può verificare anche a temperatura ambiente. In sintesi il processo di fabbricazione è : estrazione rotolo, taglio delle parti di tessuto che occorrono, posizionamento del tessuto sugli stampi , applicazione del vacuum bag ed infine inserimento dello stampo nell’autoclave. Si nota come il processo sia poco automatizzato, vi è la presenza di lavoratori detti laminatori, questi sono addetti al posizionamento delle pelli sugli stampi. Queste operazioni vengono svolte nelle clean room così da non avere difetti nel materiale composito dovuto all’infiltrazione di polveri tra le lamine. In realtà vi è anche un cattura resina che successivamente allo stampo assorbe la resina in eccesso. Hand lay-up significa che il processo di posizionamento delle pelli sullo stampo è fatto a mano. Si nota quindi la poca automatizzazione del processo e quindi il costo che ne segue.

Vi è un’anima che viene fatta ruotare su di un mandrino e poi a seconda di come si inclina il carrello, con fibre imbevute di resina, si può ottenere la disposizione delle fibre desiderata. Deve essere un oggetto di rivoluzione come tubi o recipienti, mai superfici piane. Dopo lo si cuoce in forno con autoclave, non si hanno ampie prestazione e non si possono usare tutti gli angoli di avvolgimento, ad esempio l’angolo di avvolgimento non può essere 90° altrimenti non si può procedere.

Molti telai di automobili ad alte prestazioni sono fatti con questa tecnologia: Porsche, Lamborghini,McLaren …

Si parte da un secco di carbonio, per fare questo si mettono dei punti di saldatura per tenere la forma, successivamente si mette il secco tra due stampi, si inietta la resina, si alza la temperatura degli stampi e poi dopo la rimozione degli stampi si ottiene il manufatto. Ci sono alcune tipologie di RTM: RTM normale: si inietta la resina che poi espelle l’aria. RTM vaccum: si fa il vuoto così che tira da solo la resina dentro( che non deve essere molto viscosa altrimenti non riesce a penetrare tra le fibre). Press RTM: se si mettono in pressione i tool ( gli stampi),

Non essendoci tecnologie mature per realizzare il carbonio(ad eccezione dell'autoclave), in base a come si da la pressione e temperatura viene dato un nome diverso al processo. La chiave è come dare la pressione e la temperatura. Inoltre conviene usare resine che induriscono velocemente non creando vuoti all'interno e che si diffondano ovunque.

Un’altra tecnologia abbastanza utilizzata è quella del braiding (Video allegato : https://www.youtube.com/watch?v=j19na8LMBnE ) Si hanno tutte le fibre secche disposte a raggiera, poi queste ruotando tra loro si intrecciano ( come ad esempio il vimini)su di un’anima che viene tirata e così si crea il corpo del pezzo da realizzare. Naturalmente non possono esserci eccessive variazioni di sezione altrimenti non si riesce a coprire tutto il pezzo, però si riesce grazie a velocità di estrazione del mandrino e direzione dei mandrini disposti circolarmente ( dove c’è la fibra )a dare un ricoprimento quasi tridimensionale all’oggetto. Con il braiding si ha solo fibra,successivamente si dovrà infondere la resina e indurire il tutto ad esempio in RTM.

Il press preg è una tecnica in cui si pone un pre-preg all'interno di una pressa con due stampi caldi (tool), successivamente con la chiusura degli stampi si ottiene una lavorazione tipo stampaggio di lamiere. E’ la tecnologia sulla quale si sta puntando maggiormente.

Naturalmente ad ogni tecnologia si deve associare quello che la tecnologia ci da come quantità di resina e fibra. Ad esempio un RTM per sua natura, darà un eccesso di resina poiché la resina deve scorrere all’interno delle fibre.