I Materiali Compositi

Cosa sono i Materiali Compositi?

• Una definizione di materiali compositi può essere la seguente: si tratta di materiali di solito non presenti in natura che sono il risultato di una combinazione tridimensionale di almeno due materiali tra loro, chimicamente differenti, con un’interfaccia di separazione.

• La combinazione così ottenuta vanta proprietà chimico-fisiche non riscontrabili nei singoli materiali che la compongono.

Quali sono i vantaggi di questi tipi di materiali?

• leggerezza• rigidità• semplicità di messa in opera• assenza di corrosione• manutenzione limitata• elevata resistenza meccanica anche ad alte T

Cosa sono i Materiali Compositi?

I singoli materiali che formano i compositi sono detti costituenti e a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice e rinforzo. L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime (a questo scopo, fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e densità decisamente bassa: per questo motivo i compositi sono largamente usati nelle applicazioni dove la leggerezza è cruciale, aeronautica in primis.

Cos’è il Rinforzo?

Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa nella matrice che ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. A seconda del tipo di rinforzo, i materiali compositi si suddividono in:

• compositi particellari;• compositi rinforzati con fibre (a), (b), (c);• compositi strutturati (ad esempio pannelli a sandwich, laminati,

ecc).

Cos’è la Matrice?

La matrice è costituita da una fase continua omogenea, che ha il compito di:

• racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale composito (e degli eventuali strati di cui esso è composto, nel caso di composito laminato);

• garantire che le particelle o le fibre di rinforzo presentino la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione.

In cosa differiscono le Matrici TI da quelle TP?

Termoplastico (TP) Termoindurente (TI)

Polimerizzazione

Trasf. fisica (riciclo) Reaz. chimica (non riciclo)

Matrici TP vs. Matrici TI

• Problema di garantire la posizione delle fibre nelle TP (infatti, il 75% della produzione di manufatti è in matrice TI).

• Le TI sono bicomponenti, processabili, offrono una buona bagnabilità e sono poco costose perché richiedono un basso apporto di calore e pressione.

• Le TP possono essere riciclate, hanno tempi di processo brevi e tempi di vita illimitati (perché non avvengono reazioni chimiche); però, sono molto costose a causa dell’elevato apporto di calore e pressione.

Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?

Materiale Densita'

(g/cm3)

Resistenza

a trazione

(GPa)

Modulo

elastico

(GPa)

Modulo

specifico

(107 m2/s2)

Vetro E 2.54 3.45 72.4 2.85

Vetro S 2.49 4.58 86.2 3.46

HP-PE 0.97 2.70 87.0 8.96

Aramide 1.44 3.55 130-186 9.0-12.9

Carbonio HS 1.76 3.53 230 13.0

Carbonio HM 1.87 3.10 405 21.7

Carbonio UHM 1.96 1.86 572 29.2

Acciaio 7.85 0.60 210 2.68

Alluminio 2.78 0.40 70 2.52

Proprietà delle Fibre

Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?

• Vantaggi: densità molto basse vs. resistenze e moduli molto bassi (es.: fibre aramidiche vs. fibre d’acciaio).

• Le fibre di vetro E sono le più diffuse perché le più economiche.• Le aramidiche hanno bei vantaggi rispetto alle fibre di vetro, però, la

loro duttilità può risultare uno svantaggio quando si devono, ad esempio, praticare fori nel materiale composito.

• I tre tipi di fibre di carbonio, sopra elencate, ci dimostrano che è possibile garantire o un’elevata resistenza meccanica o un elevato modulo elastico (più del doppio dell’acciaio, in tal caso).

Perché i materiali delle fibre non si usano da soli?

Diametro fibra

Resi

sten

za

Funzioni della matrice:

• legare le fibre• dare la forma al pezzo

• proteggere le fibre

La fragilità delle fibre

Quali sono i fattori d’importanza delle fibre all’interno di un composito?

• l’orientazione delle fibre (all’interno del composito).• la quantità di fibre (all’interno del materiale composito).

Carboresina UD

Impossibile da realizzare

Quantità massima di fibre da poter inserire in un materiale composito

Come utilizzo le fibre?

• E’ consigliabile prevedere fibre di tipo continuo.• Solo le fibre di carbonio sono competitive con i materiali tradizionali

per applicazioni avanzate.• Per limitare i costi occorre ottimizzare il progetto.

Caratteristiche principali

•Leggerezza•Estetica•Facilità di lavorazione•Elevata •Resistenza alla corrosione•Resistenza meccanica (anche ad alte T)

Fibre Lunghe

Fibre Corte

Matrice

Rinforzo

Materiali Compositi

Resine Termoindurenti

Resine Termoplastiche

Metallica

Polimerica

Ceramica

costituiti da:

Proprietà

Alta Perfezione Strutturale

Conferiscono rinforzo, con maggiore efficienza, nella direzione della loro disposizione

Particellare

Fibre

Comportamento Elastico Lineare fino alla rottura

Modulo Elastico molto elevato

A cura di:Marina Manfredi