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prof. Luigi Mascolo Materiali per l’industria Aeronautica

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UNITA’ 1 Materiali per l’industria Aeronautica pag. C/13

6 I materiali compositi

Dopo un periodo di relativa stagnazione, dovuta alla contrazione delle commesse militari e, in

ambito civile, alle difficoltà finanziarie incontrate da numerose compagnie aeree a seguito dei fatti del 11

settembre, l’industria aeronautica, come si evince dal sottostante grafico [fonte Alenia Aeronautica, Convegno

“Tecnologia dei materiali compositi”, Torino 04/11/2004], sta ora vivendo un periodo di grande rinnovamento

legato all’uso diffuso e fortemente innovativo, sia in ambito civile che militare, dei materiali compositi.

Questi ultimi, sviluppati negli ultimi 20 anni hanno rivoluzionato il modo di pensare e progettare le

strutture, permettendo di ottenere prestazioni (intese come rapporto peso/resistenza meccanica) altrimenti

irraggiungibili.

Si definiscono compositi, tutti quei materiali, non presenti in natura, caratterizzati da una struttura non

omogenea costituita dall'unione di due o più elementi di differenti caratteristiche chimico-fisiche tali da

renderli diversi, insolubili e separati fra loro. Ciascun costituente mantiene la propria identità senza

dissolversi o fondere completamente nell'altro.

Dal punto di vista strutturale il materiale composito può essere pensato come composto da due

fasi: una fase fibrosa, detta rinforzo, che ha il compito di resistere alle sollecitazioni e da una fase

omogenea, detta matrice, che ha invece il compito di trasferire le sollecitazioni alle fibre stesse.


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Il prodotto finale è un materiale solido e continuo in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime,

una massa volumica decisamente bassa (il peso è

notevolmente inferiore a quello di un acciaio),

resistente alla corrosione e ai carichi di tipo ciclico

(resistenza a fatica).

L’impiego delle fibre riduce di fatto la probabilità che si

manifestino difetti di tipo strutturale, per cui se, ad

esempio, nel fascio di fibre si verifica una rottura

questa non si propagherà automaticamente a tutto il

materiale, inoltre essendo le fibre immerse nella matrice, le sollecitazioni esercitate su una parte di esse

vengono trasferite a tutta la massa del materiale, che acquisterà in tal modo tenacità e resistenza.

Le caratteristiche dei compositi dipendono, pertanto, dalla natura della matrice e delle fibre e dell'adesione

interfacciale tra fibre e matrice.

I compositi sono oggi largamente usati in diversi settori, in primis in campo aeronautico e aerospaziale per

la costruzione di strutture e parti mobili dell’ala e di fusoliere; in campo navale per la costruzione di scafi

per catamarani, barche a vela, canoe; in campo automobilistico per i pannelli di carrozzeria, telai per auto

di "Formula 1", balestre, parti di motore e accessori vari. Nel settore dello sport questa tecnologia viene

largamente impiegata per sci, bob, racchette da tennis, biciclette, canne da pesca, aste per il salto in alto

ecc…..; in medicina si costruiscono, oggi, protesi di ogni tipo in composito.

Esistono comunque dei limiti che rallentano la diffusione su larga scala dei materiali compositi e che sono

costituiti, oltre che dall’elevato costo di produzione, dalla loro scarsa resistenza superficiale all'usura e ai

carichi concentrati e a diverse problematiche di smaltimento e riciclaggio.

Volendone sintetizzare i vantaggi e gli svantaggi in una tabella riepilogativa si ottiene:

VANTAGGI SVANTAGGI

• Leggerezza e quindi ridotto consumo di carburante

rispetto alle strutture convenzionali

• Resistenza alla corrosione

• Eccellente comportamento a fatica

• Possibilità di produrre pezzi con geometrie

complesse

• Possibilità di progettare il materiale per il tipo di

sollecitazione orientando le fibre

• Riduzione del numero di pezzi da assemblare

• Elevato costo

• Mancanza di esperienza consolidata nell’utilizzo

• Difficoltà di giunzione con pezzi metallici

• Suscettibilità agli agenti atmosferici

• Scarsa resistenza superficiale all'usura e ai

carichi concentrati

• Complesse tecniche di ispezione

• Problemi di smaltimento e riciclaggio


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6.1 Principali tipi di fibre

Le fibre sono costituite da corpi solidi resistenti di forma allungata, aventi dimensione longitudinale

prevalente su quella trasversale ed hanno il compito di fornire resistenza e rigidezza al composito.

La maggiore o minore capacità del composito di resistere ai carichi esterni è legata all’orientamento delle

fibre che preferibilmente dovranno essere disposte secondo le direzioni di massima sollecitazione.

Per ottenere caratteristiche di continuità e resistenza le fibre si riuniscono in fili a fibre parallele o

attorcigliate. Un determinato numero di fili viene quindi attorcigliato a trefolo. I trefoli, a loro volta,

possono essere intrecciati fra loro originando i tessuti che possono essere di vario tipo: a fili biassiali,

triassiali, oppure a maglia.

Si fa notare che i tessuti differiscono per la disposizione

delle fibre, ma la loro giacitura è bidimensionale, cioè

disposte su un unico piano. E’ possibile, inoltre, realizzare

tessuti nei quali l’intreccio dei fili avviene

tridimensionalmente nello spazio, secondo le direzioni di

massima sollecitazione. Prima di essere impregnati nella

matrice i tessuti vengono tagliati secondo la forma e le

dimensioni previste.

Le principali fibre comunemente impiegate in campo aeronautico sono quelle di vetro, carbonio, boro,

aramidiche (kevlar) e le fibre ceramiche.


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Fibre di Vetro

(1946)

Vengono ottenute per trafilatura dando luogo a fili piuttosto lunghi che trattati

chimicamente, per migliorare le caratteristiche di scorrevolezza, vengono avvolti a bobina

su un fuso e messi in commercio. Le fibre di vetro hanno come caratteristiche positive un

basso costo di produzione, elevata resistenza meccanica e bassa densità, come

caratteristiche negative un basso modulo di elasticità e bassa rigidità, che comportano

elevate deformazioni sotto l’applicazione di carichi. In campo aeronautico le fibre di vetro

vengono impiegate con resine poliestere (vetroresina) per la sportelleria , carenature, …..

Fibre di Boro

(1965)

A parità di densità con le fibre di vetro , le fibre di boro offrono un modulo di elasticità 5

volte maggiore, una elevata durezza, un alto punto di fusione e una moderata resistenza

alla corrosione. Tuttavia la tecnologia di fabbricazione delle stesse è molto costosa,

fattore che insieme alla sua alta densità, ne ha determinato un sostanziale abbandono.

Fibre di Carbonio

grafitico

(1964)

Sono subentrate alle fibre di boro a causa del loro alto costo e della poco attitudine a

lasciarsi plasmare su forme e stampi. Sono attualmente quelle di maggiore impiego nel

settore aerospaziale perché presentano ottime qualità quali un basso peso specifico , un

basso coefficiente di dilatazione, un’alta resistenza e un’alta rigidezza specifica.

Fibre aramidiche

(Kevlar)

(1975)

Il kevlar è una fibra aramidica ad alta tenacità nettamente superiore alle alte fibre dal

punto di vista della resistenza all’impatto e per quanto riguarda la propagazione delle

cricche e per le sue qualità di smorzamento delle vibrazioni. Ha inoltre la più alta

resistenza specifica alla trazione ed un basso peso specifico e pertanto trova largo

impiego nella costruzione di strutture aeronautiche secondarie e semiportanti quali bordi

di attacco di ali, impennaggi, cellule motore, serbatoi,.. ecc… Inoltre per queste

caratteristiche, in forma di tessuto, sui utilizza nella produzione di giubbotti antiproiettile e

nelle funi ad alta resistenza.

Fibre ceramiche

(carburo di silicio)

Si tratta di fibre in carburo di silicio, che essendo di natura ceramica possiedono

un’elevata resistenza meccanica e sono trasparenti alle onde elettromagnetiche nella

banda radar. Tali fibre possono essere distribuite uniformemente in matrici di lega leggera

di alluminio, consentendo di ottenere un incremento di rigidezza del 50% rispetto a quella

del materiale metallico di base. A tale caratteristica, però, si somma una certa fragilità

dovuta ad una bassa deformabilità.


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6.2 Principali tipi di matrici

Per poter sfruttate al meglio le caratteristiche resistenti delle fibre, quest’ultime vengono “affogate”

in una matrice che, agendo come un materiale di riempimento, è inizialmente allo stato di fluido viscoso

per poter riempire tutti gli spazi ed aderire perfettamente alle fibre, per poi subire un processo di

solidificazione che consente di dare

stabilità e geometria alla struttura.

Il compito fondamentale della matrice è

quello di trasferire alle fibre i carichi

applicati. Le forze di sollecitazione sulle

fibre, se ipotizziamo perfetta aderenza tra

fibre e matrice e quindi assenza di

scorrimento reciproco, sono forze

puramente di taglio. Ovvero la

trasmissione dei carichi avviene per effetto

di tensioni tangenziali . Ovviamente la

matrice assolve anche ad altre funzioni

quali quelle di mantenere le fibre in

posizione, proteggere la superficie delle fibre da danni e dalla corrosione.

Le matrici possono essere di diverso tipo e classificate in funzione del valore delle temperature massime di

impiego alle quali possono essere adoperate senza

dover subire fenomeni di degradazione. I valori di

tali temperature di utilizzazione sono direttamente

collegati a quelle delle velocità di volo dei velivoli

sui quali le matrici stesse vengono utilizzate. In

funzione dei campi di temperatura citati si hanno

matrici con temperature di lavoro inferiore a 150

°C, adatte per impieghi in velivoli con velocità

inferiore a M=1, matrici per temperature comprese tra 150 °C e 250 ° C adatte per impieghi su velivoli con

velocità compresa tra 1<M<2 e infine matrici per temperature superiore a 250°C per velocità oltre M=2.


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I principali tipi di matrici oggi operanti sono quelle polimeriche, metalliche e ceramiche.

1) Matrici polimeriche

Sono costituite da resine

termoindurenti quali le

resine epossidiche e quelle

poliestere. Come materiali

di rinforzo si impiegano in

genere le fibre di vetro,

carbonio o aramidiche.

Resine epossidiche

costituite da materie plastiche termoindurenti che solidificano con l’innalzamento

della temperatura. Vengono adoperate con le fibre di vetro e quelle di carbonio. Le

matrici epossidiche sono le più importanti poiché risultano quelle che hanno le

proprietà meccaniche migliori, ottima adesione alle fibre, buona resistenza chimica

e una buona stabilità termica.

Resine poliestere

anche esse sono costituite da materie plastiche termoindurenti, hanno discrete

caratteristiche meccaniche fino a 250 °C, vengono adoperate specialmente insieme

alle fibre di vetro, dando luogo alal vetroresina, e sono caratterizzate da un basso

costo di produzione.

2) Matrici metalliche

Sono realizzate con l’alluminio, il magnesio, il titanio, e impiegano come elementi di rinforzo le fibre di carbonio o di

boro. Hanno caratteristiche migliori di quelle polimeriche ma risultano molto più pesanti.

I problemi più rilevanti nell’utilizzo di tali matrici sono relativi all’interfaccia con le fibre, che richiede l’uso di metalli

che sono liquidi a temperatura non compatibili con l’integrità delle fibre. Per facilitare l’operazione ed evitare danni,

il metallo viene interposto tra le fibre sotto forma di polveri o fogli sottili.

3) Matrici ceramiche

Le matrici ceramiche sono costituite da carburi, nitruri di silicio e ossido di alluminio. Si tratta di materiali refrattari,

difficilmente fusibili, che permettono di superare il limite costituto dalle elevate temperature , infatti mantengono

le loro caratteristiche fino a 2000°C . Hanno però una bassa tenacità (fragili) che viene compensata dalle fibre di

rinforzo. I compositi ceramici vengono studiati per essere impiegati nella costruzione di parti calde, il cui

funzionamento avviene a temperature dell’ordine di oltre 1000 °C: componenti di motori automobilistici ed

aeronautici, ugelli di scarico, ed in campo trans-atmosferico, per strutture di rivestimento, come il muso ed i bordi

d’attacco delle navette spaziali.

6.3 Dalla lamina al laminato

Un laminato metallico è un materiale ibrido costruito alternando fogli di composito e di metallo, ad

esempio, fogli di alluminio a strati unidirezionali di fibre di vetro impregnati con adesivo a base epossidica

(vetroresina). Gli strati alternati vengono poi

depositati in uno stampo che segue la forma

della parte a curvatura singola o doppia.

Completata la laminazione, viene applicato un

sacco, tirato il vuoto ed effettuata la cura in

autoclave. Un esempio molto importante di recentissima applicazione è il GLARE.


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Il GLARE, appartenente alla categoria dei Fibre Metal Laminates, è un laminato ibrido composito/metallo

che, grazie alle sue eccellenti proprietà, avrà in futuro un impiego sempre più diffuso. Anche l’Airbus, nella

progettazione e produzione del “super jumbo” A380 ha sposato la filosofia dei materiali compositi,

realizzandone la fusoliera in GLARE. Tale materiale è costituito dalla stratificazione di sottili lamiere di lega

di alluminio e lamine in composito (vetro, aramidico, carbonio) e presenta eccellenti prestazioni in termini

di riduzione del peso ed aumento della resistenza alla fatica, al fuoco, all’umidità ed agli impatti.

il GLARE è un laminato ibrido composito/metallo

Airbus A380: i pannelli di fusoliera sono realizzati in GLARE


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6.4 Le strutture a sandwitch (metallo -nido d’ape)

La struttura a sandwitch è un particolare materiale composito costituito da due fogli (lamiera o

laminato) chiamati “facce” separati da un’anima interna chiamata “cuore o core” , che può essere costituita

da schiuma di plastica espansa, balsa, compensato con struttura a nido d’ape (cioè con struttura a celle

esagonali). In una struttura sandwich il

compito dell’anima e dunque quello di

mantenere le facce alla distanza prescritta

mentre le facce devono resistere sia a

trazione che a compressione senza che si

verifichino rotture o distorsioni. L’unione

delle facce al cuore avviene attraverso un

adesivo (materiali polimerici tipicamente

termoindurenti e generalmente in forma di film). La struttura sandwich può essere realizzata sia sotto

forma di pannelli , oppure può costituire la struttura finale, come nel caso di un impennaggio o di una

superficie mobile di piccole dimensioni;

6.5 Produzione dei materiali compositi

Le parti strutturali in materiale composito vanno sempre più diffondendosi e la loro realizzazione, in campo

aeronautico, viene effettuata secondo processo produttivi che devono garantire le seguenti condizioni:

• Dare il dovuto orientamento agli strati delle fibre sovrapposte, rispettando la geometria del pezzo;

• Rispettare le condizioni di temperatura e pressione del processo di polimerizzazione, realizzando

livelli minimi di porosità interna ed il grado di finitura superficiale richiesto.

• la massima economicità

La scelta del metodo più conveniente è legato alla geometria e alle dimensioni del pezzo da costruire e

dipende dalle caratteristiche di resistenza strutturale che il pezzo dovrà possedere in opera.

Le tipiche di strutture composite in campo aeronautico sono quelle ottenute attraverso:

1. Polimerizzazione su stampo in autoclave (laminato solido)

Viene utilizzata per manufatti di superficie estesa, piana o curva e di forma aperta. La realizzazione

avviene disponendo il materiale preimpregnato di partenza in stampi aperti (stampi di laminazione)


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che vengono successivamente trattati in autoclave, con un processo di polimerizzazione a pressioni e

temperatura determinate.

2. Polimerizzazione in forno

Le parti costruttive poco impegnative, alle quali è richiesta una resistenza strutturale poco elevata,

vengono realizzate mediante processi di polimerizzazione in forno a pressione atmosferica, senza

compressione. L’azione meccanica di compattamento del materiale è dovuta alla depressione

realizzata nel sacco di nylon a tenuta che contiene il materiale. Tale procedimento è più semplice,

ma meno costoso del precedente.

3. Filament Winding

La lavorazione viene realizzata da macchine avvolgitrici, nelle quali un mandrino di forma opportuna

viene mosso da un motore elettrico e sul quale viene avvolta la fibra, impregnata di resina. Durante

l’avvolgimento si verifica la polimerizzazione. Tale tecnica si presta bene per realizzare parti

caratterizzate da superfici ad andamento cilindrico o parti di forte allungamento, a sezione

trasversale, ma non circolari (profili alari per pale d’elicottero ), radome dei velivoli supersonici,

costruzione di serbatoi in pressione e in tutti quei casi in cui le tensioni principali sono di tipo

circonferenziale.


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