Nuovi compositi per materiali multifunzionali e ibridi

I materiali compositi benché affermati nell'industria, sono una realtà in espansione. La diffusione del know-how e la volontà di offrire soluzioni sempre nuove per i clienti sta portando i materiali compositi, fino ad adesso prerogativa di settori di nicchia (dal ciclismo professionistico a tutto l'automobilismo da competizione, dal settore navale a quello aeronautico) a diventare standard per settori anche cari al consumo di massa.

Secondo Reportbuyer, un servizio di intelligence industriale che aggrega report delle riviste più autorevoli, l’impiego di fibra di carbonio nell’automotive farà segnare un sonoro +10,4% nei prossimi cinque anni. Ma questo è solo un esempio. Anche gli aerei civili di nuova generazione fanno un uso larghissimo di materiali compositi. Prima di parlare del futuro di questi incredibili materiali andiamo, però, a definirli e capire come sono impiegati attualmente nella progettazione.

Materiali compositi

La Bmw i3 è una macchina di nuova generazione in cui la fibra di carbonio trova largo impiego [Credit: BMW]
La parola composito significa “composto da parti o sostanze distinte”. Un materiale composito, quindi, è un materiale che consiste di due o più materiali costituenti che sono legati insieme a formare un’unità coesa. Ancor prima dell’industria, la natura fornisce da sempre esempi di materiali compositi. Il legno e le ossa sono alcuni. I primi esempi di composito di fabbricazione umana si trovano nelle soluzioni edilizie delle prime civiltà con mattoni realizzati con blocchi di fango e rinforzati con fibre vegetali. Da allora l’uomo ha fatto notevoli progressi. I materiali compositi a cui si fa rifermento oggi sono caratterizzati da polimeri rinforzati a fibra, da matrici metalliche, da matrici ceramiche. Il concetto alla base della produzione di materiali compositi è quello di creare un nuovo materiale in grado di unire i punti di forza delle sostanze che lo compongono e di superarne le debolezze. In generale il vantaggio più ovvio che un composito ha sui tipici materiali ingegneristici come acciaio, alluminio e titanio è l’alta resistenza e rigidezza specifica. Specifica inteso come proprietà meccanica su densità del materiale. Secondo questa definizione, acciaio e alluminio hanno resistenza e rigidezza specifica comparabile ad esempio. I CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymers, i classici pannelli rinforzati in fibra di carbonio hanno rigidezza e resistenza specifica maggiore dei metalli appena citati. Rigidezza e resistenza specifiche elevate, significano elevate prestazioni meccaniche con poco peso. Nel settore dei trasporti questo significa aumento di prestazioni e riduzione di consumi. In un materiale composito si distinguono sempre matrice e rinforzo. La matrice è costituita da una fase continua ed ha il compito di garantire la coesione del materiale composito. La matrice deve garantire anche la corretta dispersione delle particelle o fibre di rinforzo senza avere segregazione. La matrice può essere polimerica, sia termoplastica che termoindurente, metallica o ceramica. Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa all’intero della matrice in forma di fibre lunghe o corte. La sua funzione è di garantire rigidezza e resistenza meccanica. A causa della direzione e della lunghezza dei rinforzi le proprietà dei compositi possono passare da isotrope a ortotrope a anisotrope. Per finire la panoramica parliamo anche degli svantaggi legati ai compositi. In realtà nonostante le proprietà incredibili i compositi presentano diverse criticità. Da un lato la processabilità non sempre ripetibile e implementabile su larga scala come quella di altri materiali, ne causa un costo piuttosto alto. Dall’altro i modi di rottura. Failure legate a delaminazione, usura, carichi concentrati o perdita di aderenza tra matrice e rinforzo sono alcune delle problematiche, tutte peculiari, che questi materiali si portano dietro. Infine i problemi di smaltimento e riciclaggio. Garantire la perfetta coesione tra matrice e rinforzo, obiettivo primario durante la fase di vita utile del componente, diventa un ostacolo quando lo si vuole dismettere o recuperare. Fino ad adesso abbiamo descritto caratteristiche già note ai più. Andiamo ora a vedere cosa ci riserva il futuro per quanto riguarda questi materiali.

Nanocompositi e materiali multifunzionali

Airbus 380 [Credit: Airbus] Il Glare, composito ibrido con alluminio e fibre di vetro, sviluppato per la prima volta dall’università di Delft nei Paesi Bassi, ha trovato una sua fortunata applicazione proprio nell’Airbus
La definizione di nanocompositi copre una varietà di sistemi di materiali il cui denominatore comune è l’essere composti da componenti dissimili e mescolati su scala nanometrica per raggiungere prestazioni drasticamente aumentate. Per ottenere la multifunzionalità nei compositi sono state impiegate con successo nanoparticelle con alti aspect ratio (rapporto tra dimensione più lunga e più corta di una particella). Quando si parla di multifunzionalità si intende conferire al materiale una o più proprietà che di norma gli sono estranee o esaltarne in maniera radicale quelle che di solito gli appartengono già. Esempi classici sono le proprietà meccanica, la conducibilità termica o elettrica, la stabilità termica, la resistenza alla fiamma, lo smorzamento acustico, le proprietà tribologiche, il ritiro o la permeabilità. Materiali di taglia nanometrica impiegati come nano rinforzi per i nanocompositi possono essere classificati come particelle (metalli o compound metallici, particelle organiche), materiali fibrosi (nanotubi, nanofibre, nanofili), materiali a strati (grafene). Questi nano rinforzi, come accennato prima, hanno aspect ratio molto elevati. Ciò crea una grandissima quantità di area di interfaccia se i nano-fillers sono adeguatamente dispersi nella matrice. È proprio questo il segreto di multifunzionalità in campo meccanico e fisico. Speciale risonanza hanno ottenuto i CNT, carbon nano tubes. Questo tipo di materiali dispersi in matrici polimeriche costituiscono nuovi materiali multifunzionali con miglioramenti dal lato meccanico, termico, elettrico e di smorzamento. C’è comunque da aggiungere che nonostante la fama di cui stiano godendo sono ancora tanti i quesiti irrisolti. Quando si parla di nanocompositi multifunzionali ancora non sono chiari esattamente i livelli di purezza, quali polimeri, le caratteristiche strutturali, la viscosità in funzione della temperatura e i vari trattamenti da applicare. La ricerca sta continuando con un ritmo incalzante. Una varietà di industrie richiede materiali più robusti e più leggeri. Tuttavia ancora sforzi piuttosto sostanziosi devono essere fatti per quanto riguarda processabilità e ripetibilità, soprattutto nel controllo di purezza e dispersione delle nanoparticelle nella matrice polimerica.

Compositi Ibridi

Struttura di un carbon nano tube [Credit: Engadget]
I compositi si stanno sviluppo sempre di più, raggiungendo nuovi livelli di diffusione. Man mano che le loro applicazioni crescono, i limiti e i compromessi del passaggio da metalli a non metalli stanno diventando sempre più evidenti. In molte soluzioni, l’evoluzione logica è di considerare come i punti di forza di metalli e materiali compositi possano essere combinati in materiali ibridi. Uno degli esempi più eclatanti di questo segmento di materiali è basata su una caratteristica tipica dei compositi: la laminazione di singole ply. I Fiber Metal Laminates, FML sono laminati in cui una o più ply di compositi laminati sono rimpiazzati da fogli di lamiera e sono, appunto, materiali ibridi. Queste soluzioni sfruttano le caratteristiche migliori di metalli e compositi unendo ad esempio un’ottima resistenza all’impatto a leggerezza e rigidezza. I FML non sono una moda dell’ultim’ora. Il primo a vedere le luci della ribalta, già negli anni ’80 è stato ARALL, una combinazione di alluminio, Kevlar e epoxy. I punti forti di questo materiale sono la bassa densità e la resistenza a temperatura e umidità. Una variante dell’ARALL è il GLARE con fibre di vetro al posto del Kevlar. Si tratta di un ibrido composto da fogli di alluminio alternati a ply preimpregnate di fibra di vetro. Il GLARE è un pannello fortemente personalizzabile a seconda dell’orientamento imposto alle ply di fibra di vetro e rispetto al classico pannello di alluminio ha migliori performance sia in termini di densità, di fatica, che di resistenza all’impatto. Un terzo FLM molto importante è il laminato di titanio-grafite (TiGr) che consiste di layers di titanio alternati lungo lo spessore di polimeri rinforzati con fibre di carbonio. Il TiGr ha un’eccellente densità rispetto ad una struttura metallica e ha ulteriori vantaggi in termini di tenacia. Il TiGr e tutti i compositi ibridi di cui abbiamo parlato fino ad adesso hanno un grande potenziale di applicazione soprattutto nel mondo dei trasporti. Tuttavia esistono delle criticità. La grande differenza in termini di espansione termica e le natura isotropa dei metalli messa a contatto con quella anisotropa dei compositi, può dare luogo a stress residui. Stress residui all’interfaccia trai materiali riducono le performance e possono causare failure premature.

Fibra di carbonio di nuova generazione

Esempio grafico di matrice e rinforzo nei compositi [Credit: Essential Chemical Industry]
Le matrici polimeriche rinforzate con fibre di carbonio sono tra i materiali più diffusi e conosciuti. Uno standard per tutte le applicazioni ad alte prestazioni. Il loro punto di forza sta nell’elevata resistenza, nell’alta rigidezza e, come detto in precedenza, nella ridotta densità. Nella corrente pratica industriale le fibre polimeriche che lasciano residui carboniosi e non si liquefanno durante la pirolisi in atmosfera inerte sono la scelta più frequente per costituire il rinforzo di questi materiali. La qualità strutturale delle fibre polimeriche padri è direttamente collegata alle proprietà meccaniche delle fibre di carbonio figlie. Le imperfezioni sui padri, verranno migrate direttamente alle figlie e il numero e le dimensioni di queste imperfezioni caratterizza in maniera diretta la qualità strutturale del futuro materiale rinforzato. Il principale approccio che la ricerca ha adottato per ottenere maggiori prestazioni dai rinforzati a fibra di carbonio è stato quello di ridurre il numero e la grandezza dei difetti delle fibre polimeriche pre-pirolisi. Secondo questa filosofia c’è sempre maggior interesse nell’ottenere compositi con ply sempre più fini. Ply più fini significa infatti, fibre più fini. Le tecnologie attuali permettono di ottenere fibre polimeriche con diametri dell’ordine del micron. L’impiego di copolimeri di nuova generazione come fibre precursori permette di raggiungere diametri in scala nanometrica. I diametri possono essere ulteriormente ridotti durante il processo di pirolisi. Quanto appena detto apre nuovi orizzonti allo sviluppo dei polimeri rinforzati a fibra. Diametri di fibra inferiori ai 100 nm possono portare alla realizzazione di ply preimpregnate con spessori due ordini di grandezza inferiori alle attuali, pur mantenendo inalterate le caratteristiche meccaniche. Tutto ciò con grandi benefici per i sistemi meccanici fortemente vincoli nel peso.

Riciclaggio fibra di carbonio

Una curiosità interessante per chiudere questo approfondimento sullo sviluppo dei materiali compositi è quello sulla riciclabilità. Come detto all’inizio dell’articolo i materiali compositi stanno da un lato passando da materiali caratteristica di una nicchia di applicazioni a standard sempre più frequenti per applicazioni di consumo mentre dall’altro esplorando soluzioni ancora più nuove. Una maggiore diffusione di questi materiali porta anche ad una maggiore produzione di rifiuti, come già molto poco riciclabili. Un esempio lampante è l’automotive. I continui limiti imposti in termini di emissioni di anidride carbonica hanno reso la fibra di carbonio un’opzione interessante per garantire leggerezza e contenere i consumi. Dall’altra parte però c’è l’ELV, la direttiva europea sul fine-vita dei veicoli. Le auto devono essere riciclabili fino all’85% del loro peso. Un 10% può essere incenerito e un 5% messo in discarica. Ma questo appunto non quadra con quanto detto in precedenza. I materiali compositi per poter essere usati in maniera sistematica nell’automotive devono diventare riciclabili. Sia i produttori di auto che gli smaltitori di materiali compositi stanno lavorando per chiudere il loop e rendere, appunto, questi materiali riutilizzabili. Attualmente i compositi provenienti in misura maggiore dall’aerospace e dall’automotive ad elevate prestazioni vengono sminuzzati e sottoposti a pirolisi. Questi materiali vengono generalmente impiegati come materiale inerte o come materiali di rinforzo per polimeri. Ma si può fare di più. Non appena i volumi di materiale dismesso garantiranno un business più costante, opzioni sempre più sofisticate di reimpiego potranno essere prese in considerazione. Prevedendo dei pre-step di preparazione del materiale dismesso si può pensare a trattamenti di pirolisi con a valle sistemi di preformatura e allineamento delle fibre riciclate. Questo genere di fibre riciclate ad alto valore intrinseco potrebbero essere anche impregnate con resina e dare origine  a materiale di composito riciclato di elevata qualità.