Materiali compositi: con particelle, fibrosi, sandwich

Già nel III millennio a.C. si comprese che per ottenere alcuni oggetti tra cui armi, corazze e utensili per la costruzione dei quali non era soddisfacente l’utilizzo di metalli.
Ad esempio il rame era troppo fragile e quindi si rendeva necessario l’utilizzo di due o più metalli ottenendo una lega metallica, come il bronzo costituito da rame e stagno che mostrava caratteristiche diverse da quelle dei singoli componenti e che meglio si prestava agli scopi desiderati.
L’unione di due o più specie quindi poteva produrre un materiale che presentasse caratteristiche idonee all’uso a cui esso è destinato.

I materiali compositi sono materiali fatti da due o più componenti che, uniti tra loro danno un prodotto che presenta peculiarità diverse da quelle dei singoli costituenti.

I primi materiali compositi si possono far risalire al 1500 a.C. quando gli Egiziani mescolarono fango e paglia per ottenere un materiale adatto alla costruzione di edifici.

Il materiale composito quindi  presenta caratteristiche migliori rispetto a quelle dei materiali di partenza essendo spesso

• più resistente
• più leggero
• meno costoso

rispetto ai materiali tradizionali.

I tipici materiali compositi includono: materiali per costruzioni, plastiche rinforzate, compositi metallici, ceramiche composite.

Essi includono materiali da costruzione quali cementi e calcestruzzo, materiali polimerici quali il polimero a fibra rinforzata e ceramiche composite. Sono usati nelle costruzione, ponti e strutture tra i quali ricordiamo lo scafo delle barche, vasche, serbatoi e, tra i materiali compositi più avanzati quelli che vengono usati in campo aerospaziale.

Abitualmente i materiali compositi sono costituiti da due fasi: la matrice e la fase dispersa contenente particolato o fibre. Le proprietà di tali materiali dipendono dalle caratteristiche delle fasi, dalla geometria della fase dispersa (dimensione delle particelle, orientazione, distribuzione) e dalla quantità della fase presente.

Classificazione

La classificazione dei materiali compositi comprende tre categorie principali:

Compositi con particelle

In essi la presenza di particelle contribuisce a migliorare la resistenza all’usura e alle alte temperature oltre che la lavorabilità. In particolare materiali ottenuti utilizzando come matrice un polimero e sostanze quali silice o taluni metalli tra i quali l’argento mostrano una maggiore resistenza termica e durezza superficiale. Tali tipi di compositi sono i più economici e quelli più frequentemente usati. A loro volta si distinguono a seconda delle dimensioni delle particelle: quelli contenenti particelle a dimensione elevate che hanno la funzione di inibire il movimento della matrice e quelli che presentano particelle aventi dimensioni da 10 a 100 nm nei quali la matrice sopporta la maggior parte del carico applicato mentre le particelle limitano la deformazione plastica. Le proprietà di un tale composito derivano dalla combinazione dei componenti. Il limite massimo del modulo elastico è dato da:

E_c = E_mV_m + E_pV_p

Dove:

• E_m è il modulo elastico della matrice
• E_p è il modulo elastico del particolato
• V_m e V_p rappresentano la frazione di volume delle due fasi.

Un esempio di tale categoria di materiali compositi è costituito dal calcestruzzo costituito da una matrice di cemento in cui sono presenti particelle di diverse dimensioni ( ghiaia e sabbia) che svolgono il ruolo di inclusioni nella matrice aumentando il volume complessivo e limitando il ritiro al termine dell’idratazione.

Un altro esempio è costituito dal cermet, materiale composito da ceramica ( cer)  e materiale metallico (met). Tali materiali mostrano sia le proprietà di una ceramica come la resistenza alle alte temperature che quelle dei metalli come la loro capacità di deformarsi plasticamente.

A tale categoria di materiali compositi appartiene la gomma rinforzata contenenti:

• gomma che conferisce alta resistenza e flessibilità
• materiali di rinforzo quali fibre che forniscono resistenza e rigidezza

Compositi fibrosi

Sono largamente usati nelle costruzioni meccaniche. Presentano un elevato rapporto resisitenza/peso e, a seconda della concentrazione e dell’orientamento del rinforzo possono presentare diverso grado di anisotropia. Il composito si presenta più resistente lungo la direzione di orientazione delle fibre e meno resistente lungo l’asse perpendicolare ad esse. Se le fibre non hanno una direzione preferenziale il composito si presenta isotropo. L’uso di tali compositi è favorito dal loro basso costo oltre che dalla facilità di ottenimento.

Tra i più importanti compositi appartenenti a questa categoria si ricorda il GRC a matrice cementizia essenzialmente costituito da fibre di vetro rinforzato con fibre di vetro allo zirconio; l’aggiunta di copolimeri acrilici conferisce al materiale impermeabilità all’acqua e durevolezza.

Un altro composito è il CFRC a fibra di carbonio. In esso  la matrice è una resina ma può anche essere costituita da metallo o plastica. Per ottenere tali compositi le fibre di carbonio vengono intrecciate e poi immerse nella matrice. Presentano elevata resistenza meccanica, bassa densità, capacità di isolamento termico, resistenza agli agenti chimici e buone proprietà ignifughe.

Strutture sandwich

Sono costituiti da tre parti: le due facce o pelli (sheets) e la parte interna (core) laminate insieme con un adesivo; per la loro struttura tali compositi sono isotropi

La struttura a sandwich consente l’ottenimento di  proprietà meccaniche elevate laminando le parti esterne dotate di buone caratteristiche di rigidezza e resistenza con un’anima meno resistente ma più leggera ottimizzando in termini di caratteristiche meccaniche e leggerezza le prestazioni dei cosiddetti materiali convenzionali

Tali compositi trovano impiego nel campo dell’industria:

• aeronautica
• aerospaziale
• navale
• veicoli terrestri

Prioritaria risulta essere la scelta del materiale a bassa densità che avendo uno spessore maggiore di quello esterno costituisce la maggior percentuale del volume e del peso della struttura.

Pertanto l’anima di una struttura a sandwich è fatta con materiali detti solidi cellulari caratterizzati da alte percentuali di “vuoto”. Un banale esempio di struttura a sandwich è costituito dal cartone in cui gli strati esterni piani sono separati da uno strato di cartone ondulato. Nel settore aeronautico le strutture alveolari sono a nido d’ape e sono costituite da allumino.