Materiali Compositi
Per materiali compositi si intendono quei materiali non presenti in natura che sono il risultato di una combinazione di almeno due materiali tra loro chimicamente differenti con un’interfaccia di separazione, nei Fiber Reinforced Polymers (FRP) un materiale è per l’appunto la fibra e l’atro denominato matrice è la resina .Con la combinazione di questi diversi materiali si ottengono nuovi materiali con proprietà chimico-fisiche non riscontrabili singolarmente nei materiali costituenti.
I materiali compositi si distinguono dai metalli o dalle leghe di metallo in quanto si tratta della combinazione di materiali tra loro differenti per composizione o forma. Ciascun costituente mantiene la propria identità e caratteristica nel composto finale senza fondersi completamente nell’altro.
Il cemento armato può essere considerato un esempio di struttura composita dove cemento e acciaio mantengono la loro identità e caratteristiche. Le barre d’acciaio sopportano i carichi di tensione mentre il cemento sopporta quelli in compressione.
I materiali compositi sono usati principalmente per le spiccate caratteristiche di resistenza, rigidità, leggerezza, nonché di resistenza alla fatica, alla corrosione ed agli impatti, che questi materiali riescono ad avere.
I materiali compositi avanzati consistono in una fibra ad alta resistenza inserita in una matrice epossidica.
Strutture di grafite e resina epossidica permettono un risparmio di peso del 20% rispetto all’alluminio.
La riduzione del peso nel particolari realizzati è il vantaggio più evidente rispetto all'impiego di materiali tradizionali (es. metalli). Altro vantaggio dei materiali compositi rispetto ai materiali tradizionali è l’elevata resistenza ai carichi di tipo ciclico (resistenza a fatica).
La maggior parte dei materiali compositi moderni combinano una matrice in resina termoindurente con rinforzi in fibra oltre che a cellule di rinforzo quali schiume dure e strutture a nido d’ape (honeycomb).
I rinforzi comunemente usati sono il vetro, il carbonio e le fibre aramidiche, disponibili in varie forme (fibre continue, frammentate, multi-assiali o intessute).
Una scelta oculata dei tipi di rinforzo permette di tarare le caratteristiche di forza e resistenza della struttura finale su quasi ogni esigenza richiesta dal prodotto finito.
Le matrici di resina termoindurente più comunemente usate includono poliestere, epoxy, estere vinile e fenoli. La scelta della tipologia di resine impiegate permette di variare le caratteristiche relative alle temperature d’esercizio, alla resistenza agli agenti chimici e all’aggressione degli agenti atmosferici, alle proprietà di conducibilità elettrica e alla resistenza al fuoco del prodotto realizzato. Ogni oggetto prodotto con materiali tradizionali può essere prodotto usando materiali compositi. Mentre l’uso dei compositi è quasi una scelta obbligata per certi tipi di applicazioni , la selezione del materiale da impiegare è in genere in funzione della durata utile richiesta al prodotto finito, della complessità della forma, del risparmio nei costi di assemblaggio, ed infine, dell’esperienza nell’uso dei compositi.
Anche i processi produttivi hanno conosciuto un’evoluzione costante, anche se la stesura o laminazione manuale rimane ancora la tecnica più diffusa.
La fibra di carbonio
La fibra di carbonio è una struttura filiforme di grafite, realizzata da milioni di sottilissimi filamenti in carbonio.
La fibra di carbonio rappresenta il "rinforzo" principale con il quale si realizzano la maggior parte dei materiali compositi evoluti ossia dove queste fibre sono "composte" o unite assieme ad una matrice, in genere di resina. La funzione della matrice resinosa è quella di tenere in "posa" le fibre resistenti (affinché mantengano la corretta orientazione nell'assorbire gli sforzi), di proteggere le fibre ed inoltre di mantenere la forma del manufatto composito. Per la realizzazione di strutture in composito le fibre di carbonio vengono dapprima intrecciate e disposte insieme per organizzare veri e propri "panni" in tessuto di carbonio e poi, una volta messi in posa, vengono immersi o assiemati alla matrice resinosa. Tra le principali caratteristiche della fibra di carbonio spiccano l'elevata resistenza meccanica, la bassa densità, la capacità di isolamento termico, resistenza a variazioni di temperatura e all'effetto di agenti chimici ed anche buone proprietà ignifughe.
I materiali in fibra di carbonio presentano spesso una spiccata anisotropia ovvero le sue caratteristiche meccaniche hanno una direzione privilegiata. Ciò permette di distribuire le fibre nei manufatti realizzati in fibra di carbonio a seconda delle sollecitazioni che si vogliono privilegiare o i comportamenti del manufatto che si vogliono esaltare (resistenza flessionale, radiale, torsionale ecc.).
La fibra di carbonio è una struttura filiforme di grafite, realizzata da milioni di sottilissimi filamenti in carbonio.
La fibra di carbonio rappresenta il "rinforzo" principale con il quale si realizzano la maggior parte dei materiali compositi evoluti ossia dove queste fibre sono "composte" o unite assieme ad una matrice, in genere di resina. La funzione della matrice resinosa è quella di tenere in "posa" le fibre resistenti (affinché mantengano la corretta orientazione nell'assorbire gli sforzi), di proteggere le fibre ed inoltre di mantenere la forma del manufatto composito. Per la realizzazione di strutture in composito le fibre di carbonio vengono dapprima intrecciate e disposte insieme per organizzare veri e propri "panni" in tessuto di carbonio e poi, una volta messi in posa, vengono immersi o assiemati alla matrice resinosa. Tra le principali caratteristiche della fibra di carbonio spiccano l'elevata resistenza meccanica, la bassa densità, la capacità di isolamento termico, resistenza a variazioni di temperatura e all'effetto di agenti chimici ed anche buone proprietà ignifughe.
I materiali in fibra di carbonio presentano spesso una spiccata anisotropia ovvero le sue caratteristiche meccaniche hanno una direzione privilegiata. Ciò permette di distribuire le fibre nei manufatti realizzati in fibra di carbonio a seconda delle sollecitazioni che si vogliono privilegiare o i comportamenti del manufatto che si vogliono esaltare (resistenza flessionale, radiale, torsionale ecc.).
Per lungo tempo le fibre più usate in applicazioni di compositi strutturali sono state quelle di vetro.
Sebbene abbiano buone caratteristiche di resistenza e bassa densità, presentano un modulo
di elasticità relativamente basso. Per questo motivo, circa 25 anni fa, si iniziò a sperimentare e
convertire compositi organici in fibre e tessuti di carbonio e grafite. Le elevate proprietà meccaniche
delle fibre di carbonio derivano dalla particolare struttura cristallina della grafite. Quanto più la
struttura cristallina è elevata, tanto più il materiale possiede caratteristiche elevate.