Quello dei materiali compositi è un mondo tanto vasto quanto interessante, in grado di aprire infinite possibilità in fase di progettazione in settori molto diversi tra loro, dall’edilizia alla nautica, dal biomedicale all’aerospace, allo sport e tempo libero – solo per citarne alcuni.
Con una serie di articoli vogliamo offrire una panoramica più completa possibile su questa classe di materiali a disposizione del progettista, partendo dalla storia e dalla classificazione per arrivare ai biocompositi e ai temi della sostenibilità ed economia circolare, attraverso un excursus sui campi d’impiego e sulle tecnologie di produzione. Iniziamo con un cenno alla storia dei compositi e alla loro classificazione.
PARTE I
di Simonetta Pegorari
Un po’ di storia
I mattoni di paglia tritata mescolata col fango e asciugati al sole, sono un classico esempio di materiale composito, dove la matrice è il fango e il rinforzo è la paglia. L’utilizzo di materiali fibrosi è molto antico, gli egiziani costruivano così le loro case, con mattoni molto più performanti di quelli senza il rinforzo, con una maggiore resistenza a trazione. Interessante notare che questa tecnica antichissima, oggi sta tornando in auge grazie alla bioedilizia.
Questo tipo di mattoni viene tuttora utilizzato in Africa e nei paesi in via di sviluppo. Lo stesso principio (paglia+fango) veniva adottato anche in epoche successive, per rinforzare il terreno dei terrapieni e delle mura ottenendo maggiore resistenza. Nel corso dei secoli le tecniche di costruzione con materiali che possiamo definire compositi si sono evolute fino ad arrivare agli antichi romani con l’invenzione del calcestruzzo che utilizzava la calce mescolata con l’acqua con l’aggiunta di pozzolana e di pezzi di pietra costruendo opere che ancora oggi possiamo ammirare. Il grande salto di qualità, i compositi lo conosceranno nei primi anni del ‘900 con la produzione della resina fenolica fino agli anni ’40 quando la Seconda guerra mondiale portò allo sviluppo di nuovi materiali utilizzati in aeronautica e per la costruzione di apparecchiature elettriche. Da allora la ricerca ha progredito molto velocemente fino ad arrivare ai sofisticati e complessi compositi che oggi sono utilizzati in ogni settore industriale.
Cosa sono i materiali compositi e come si formano
Nella sua forma più elementare un materiale composito è composto da almeno due
elementi che lavorano insieme per produrre un materiale con proprietà diverse
da quelli dei componenti.
In pratica, la maggior parte dei compositi è costituita da un materiale detto “matrice” e da un rinforzo che ha il compito di aumentare la resistenza e la rigidità della matrice. Quando alla matrice si aggiunge un materiale di rinforzo, il prodotto che ne deriva è uno dei più resistenti e versatili immaginabili.
Dalla Seconda guerra mondiale in poi, la ricerca nel campo dei materiali compositi si è sviluppata continuamente e dagli anni ’80 del ‘900 la tecnologia avanzata è entrata sempre più nel settore. I compositi sono utilizzati in una gamma infinita di applicazioni: medicale e design, aerospaziale e automotive, come pure edile e ferroviario; infinito è l’elenco dei campi di utilizzo per questi materiali.
Sinonimo di composito è l’acronimo FRP (fiber reinforced plastics) che rappresenta la combinazione fra una resina polimerica (poliestere, epossidica, vinilestere, fenolica) e una fibra di rinforzo che può essere vetro, carbonio, kevlar e perfino canapa, bambù, lino (nel caso dei biocompositi). A questi elementi di base si aggiungono altri materiali per modificare e migliorare il prodotto finale. Quindi, attenzione a non confondere composito e plastica! (ph.fibra di vetro, ph.fibra di carbonio). (ph.kevlar, ph.lino)
Caratteristiche dei materiali compositi
Caratteristiche dei compositi sono leggerezza, resistenza alla trazione, all’impatto, alla corrosione, stabilità dimensionale, facilità di installazione e possibilità di ottenere praticamente qualsiasi forma e finitura. Per progettare con i materiali compositi si devono conoscere molto bene materiali e tecniche di lavorazione e aver chiari i risultati che si vogliono ottenere.
È fondamentale la scelta dei tessuti di rinforzo e delle resine da utilizzare. Si tratta di un settore industriale in pieno sviluppo, sia dal punto di vista della ricerca applicativa sia dal punto di vista economico. Forse non tutti sanno che l’Italia è il terzo produttore europeo di materiali compositi.
Oggi, i compositi rappresentano una opportunità supplementare nel settore dei materiali. Si vanno ad aggiungere ad un campo di possibilità in cui essi, unitamente ad altri tipi di materiali e sfruttando i processi di trasformazione e di produzione, danno luogo a una nuova categoria di materiali avanzati.
Infinite possibilità per i progettisti
Davanti al progettista si apre uno scenario nel quale non è più vincolato da scelte obbligate; ciò che si trova di fronte è la concorrenza di diversi materiali con proprietà e caratteristiche proprie che, soltanto con uno studio approfondito e sperimentazioni mirate, è possibile determinare con esattezza. Negli anni, l’utilizzo dei compositi ha comportato sviluppi innovativi e la loro produzione è aumentata in maniera esponenziale. La scelta di questi materiali e la sperimentazione condotta su di essi è la causa primaria delle profonde variazioni che la loro natura ha subito ed è la conseguenza della specializzazione dell’ingegneria in settori di applicazione diversificati e specifici.
Dato che il composito è costituito da una combinazione di materiali diversi, le sue
proprietà meccaniche e fisiche risultano essere superiori rispetto a quelle possedute dai singoli materiali che lo compongono.
Classificazione
I compositi più comuni possono essere suddivisi in cinque gruppi principali:
Compositi a matrice polimerica – Conosciuti anche come FRP – Fiber Reinforced Polymers (o Plastics) – questi materiali utilizzano una resina a base polimerica come matrice e una varietà di fibre come vetro, carbonio e aramide ecc., come rinforzo. Sono i più comuni.
Compositi a matrice metallica – Metal Matrix Composites (MMC) – Sempre più diffusi nell’industria automobilistica, questi materiali usano come matrice un metallo tipo l’alluminio che viene rinforzato con fibre.
Compositi a matrice ceramica (CMC) – Utilizzati per ambienti con temperature molto elevate, questi materiali utilizzano una ceramica come matrice e la rinforzano con fibre corte.
Biocompositi – Recentemente, con l’aumentare dei problemi legati all’inquinamento e la ricerca di nuove fonti di energia rinnovabile, è sempre maggiore l’interesse nei prodotti naturali che riducano l’impatto ambientale. Nel campo specifico dei compositi, la ricerca si sta concentrando soprattutto sull’utilizzo delle fibre naturali.
Sono chiamati biocompositi quei tipi di FRP che derivano completamente o parzialmente dalle piante. Da una decina d’anni l’interesse per questi prodotti è continuamente cresciuto e in molti casi si è arrivati all’utilizzo industriale di biocompositi. Per esempio, le fibre naturali corte e la polvere di legno sono usate come filler in edilizia, mentre componenti automobilistici come cruscotti e pannellature, interni non strutturali per aerei, treni, barche ecc. sono prodotti con tessuti di rinforzo a fibra lunga che si ottengono da lino, canapa, bambù, iuta, sono utilizzati per sostituire la fibra di vetro.
Nanocompositi – I nanocompositi polimerici sono molto importanti nel campo della scienza dei materiali negli ultimi due decenni. Anche se lo sviluppo di questa tecnica promettente è solo agli inizi, ha un futuro emergente in varie applicazioni. I nanocompositi polimerici hanno un grande potenziale.
Applicazione dei nanocompositi: i nanocompositi polimerici con le loro combinazioni di proprietà senza precedenti e le eccezionali possibilità di progettazione si stanno affermando come materiali ad alte prestazioni del ventunesimo secolo e sono utilizzati in molteplici tecnologie all’avanguardia.
La tecnologia dei nanocompositi prevede l’utilizzo di piccolissime quantità di nanofillers che può avere un forte impatto sulle proprietà macroscopiche del nanocomposito polimerico. Le proprietà dei nanocompositi sono di gran lunga superiori ai compositi convenzionali poiché i materiali organici-inorganici su nanoscala sono mescolati a livello quasi molecolare nei primi. Nei nanocompositi, c’è un sostanziale miglioramento di alcune proprietà rispetto al polimero di base.
Proprietà meccaniche migliorate (ad es. resistenza, modulo e stabilità dimensionale);
Ridotta permeabilità ai gas, all’acqua e agli idrocarburi; miglioramento della stabilità termica e della temperatura di distorsione termica (HDT); coefficiente di dilatazione termica ridotto; ritardante di fiamma migliorato; ecc.
I nanocompositi sono promettenti per l’uso in vari settori come quello automobilistico, aerospaziale, difesa e biomedicina. I nanocompositi consentono scelte progettuali e caratteristiche impossibili con i compositi convenzionali. Grazie alla loro leggerezza e multifunzionalità, i nanocompositi soddisfano le esigenze senza compromettere l’estetica e il comfort dei tessuti. Nei tessuti intelligenti, i nanocompositi prendono parte, tra gli altri, a sensori, attuatori, mediatori, biosensori, termoregolazione, accumulo di energia ed elementi di raccolta. I nanocompositi sono particolarmente promettenti per aree di nicchia sofisticate. I nanocompositi hanno già iniziato ad essere utilizzati in numerose applicazioni; tuttavia, ci sono ancora diverse aree potenziali in cui i nanocompositi possono essere utilizzati in futuro.
