Determinazione delle R-Curve relative alla frattura interlaminare in laminati CFRP: influenza del tessuto e dell'invecchiamento del materiale

CAPITOLO 1 
 
I MATERIALI COMPOSITI CFRP 
 
 
1.1 Introduzione e Caratteristiche Principali
[1,3] 
Un materiale composito è un insieme eterogeneo di fasi, con caratteristiche fisico-chimiche 
differenti, separate da un’interfaccia netta, e rappresenta il punto di arrivo di una ricerca 
(nata secoli fa) volta a realizzare il “materiale su misura”. 
Fin dai primi sviluppi della ricerca tecnologica costruttiva, la necessità di disporre di materiali 
che mostravano contemporaneamente le caratteristiche di diversi elementi tradizionali (ed 
in particolare la ricerca del miglior compromesso tra resistenza, peso e costi), ha portato alla 
realizzazione di prodotti che combinano tra loro le diverse proprietà degli elementi con cui 
sono realizzati, permettendo il raggiungimento di livelli prestazionali un tempo 
inimmaginabili. 
Dovendo essere impiegati per costruzioni strutturali, la principale caratteristica di questi 
materiali è quella di possedere un elevato valore di tensione di rottura a trazione e di 
modulo di elasticità longitudinale, sia in valore assoluto, sia in rapporto alla loro densità. 
Sono stati preferiti ai materiali metallici, anche per la resistenza alla fatica, alla corrosione e 
agli impatti, nonché per la possibilità di disegnare il prodotto finale, in modo tale da 
renderne più semplice il montaggio e da aumentarne le caratteristiche di resistenza e rigidità 
nei punti maggiormente sottoposti a sollecitazione (prerogativa resa possibile dal tipo di 
rinforzo e dall’orientamento delle fibre), riducendo significativamente il numero di giunzioni 
e le zone ad alta concentrazione di tensione. 
Come si vede dalla tabella, gli acciai e il titanio sono competitivi a livello di resistenza 
massima, ma sono fortemente penalizzati rispetto ai compositi dalla loro densità, che ne 
abbassa molto la resistenza specifica. Il valore di resistenza specifica, infatti, è quello che 
maggiormente interessa i costruttori che devono unire leggerezza e resistenza: utilizzare un 
materiale con elevata resistenza specifica significa costruire un particolare che a parità di 
peso resiste molto di più oppure che a parità di resistenza presenta un peso inferiore. 
Per questa ragione, la ricerca è stata orientata verso quei materiali che presentano bassi 
valori di peso molecolare, e tra tutti è stato scelto il carbonio (anche la fibra di vetro è molto 
usata, ma in ambiti ben diversi) oltre che per l’elevata resistenza specifica, anche per la sua 
grande disponibilità in natura e per il costo relativamente basso di produzione (se 
paragonato a quello di altre fibre ad elevate caratteristiche come il litio ed il berillio).
Tab. 1.1 - Specific tensile strength of various materials [2] 
 
 
Quasi tutti gli oggetti prodotti con i materiali tradizionali possono essere realizzati usando i 
compositi, e, se per certi tipi di applicazione il loro utilizzo è una scelta obbligata, la selezione del 
materiale da impiegare è in genere una funzione della durata utile richiesta al prodotto finito, 
del numero totale dei pezzi da produrre (e quindi dei costi), della complessità della forma, e 
dell’ambiente. Tuttavia non possiamo tralasciarne gli aspetti negativi legati a tale tipologia di 
materiali da costruzione: 
• Costi generalmente elevati rispetto a metalli di uso comune come acciaio ed 
alluminio; 
• Resistenza media alla temperatura in funzione della resina utilizzata; 
• Scarsa resistenza all’usura, alla fatica e ai carichi concentrati; 
• Resistenza ai solventi e resistenza chimica che dipendono dalle proprietà del 
polimero impiegato; 
• Tendenza ad assorbire l’umidità, che ne altera le caratteristiche nel tempo; 
•  Problemi di smaltimento.  
Inoltre, la loro caratteristica di anisotropia, li rende poco utilizzabili, se non addirittura pericolosi, in 
quei casi in cui i campi di forza applicati non sono unidirezionali: essendo i materiali compositi 
CFRP costituiti da fibre, le caratteristiche sopra citate sono riscontrabili in direzione 
longitudinale alla fibra stessa e diminuiscono fino quasi a zero se si orienta il carico in 
direzione perpendicolare ad essa. 
Nella progettazione di elementi in materiale composito è quindi fondamentale studiare 
l’ottimale orientamento delle fibre, strato per strato, in rapporto ai carichi esterni al fine di 
ottenere la massima resistenza con il minor impiego di materiale e, conseguentemente, con 
il massimo risparmio in peso. 
 
 
Young's Modulus Density 
Specific 
Strength 
(GPa) 
( g/cm³ ) 
(kN·m/kg) 
CFRP (Carbon) 181 1.58 785
Steel alloy 200 7.86 254
Titanium alloy 112,5±7,5 4.51 288
Aluminium alloy 69 2.70 222
Glass fiber 81 2.60 1,307
Kevlar 70,5 1.44 2,514
Rubber 0,055±0,045 0.92 16.3
Polypropylene 1,75±0,25 0.90 88.88
Nylon 3±1 1.13 69.0
Silicon carbide 450 3.16 1,088
Oak 11 0.69 86.95
Material
Tab. 1.2 - Caratteristiche dei compositi 
 
 
 
1.2 Elementi Costitutivi 
Un materiale composito è costituito essenzialmente da due costituenti: la matrice e 
le fibre di rinforzo. Ognuno di essi assolve specifiche funzioni, e il loro insieme dà origine alle 
caratteristiche finali del materiale. Questo sottolinea l’importanza di una scelta appropriata 
dei costituenti, al fine di poter progettare correttamente i materiali  in base alle specifiche 
richieste. I compositi si ottengono disperdendo nella fase continua, o matrice, la fase di 
rinforzo, prestando particolare attenzione alle fasi di cura della resina e di impregnamento 
del tessuto allo scopo di ottimizzare l’adesione tra matrice e fibra. E’ da questo tipo di 
legame interfacciale, infatti, che dipendono in larga misura le caratteristiche dei compositi 
rinforzati. La qualità dell’adesione risulta essere quindi un fattore determinante della scelta 
dei costituenti da usare, e si deve sempre cercare di renderla il più elevata possibile, in modo 
da minimizzare il fenomeno del pull-out, o sfilamento delle fibre. 
 
 
1.3 Matrici 
La matrice è costituita da una fase continua omogenea, e oltre a svolgere il compito di 
legante tra le fibre del materiale (tenerle insieme e/o distanziarle) ha l’importantissima 
funzione di distribuire uniformemente i carichi applicati e di trasferirli alle fibre stesse. Si 
evince da ciò, l’importanza rivestita non solo dalla scelta, ma anche dalla preparazione e 
dalla cura della matrice, che non possono prescindere da considerazioni di carattere 
meccanico: dal momento che le caratteristiche fisiche e meccaniche del prodotto finito 
risultano fortemente influenzate dalle proprietà della matrice, utilizzare resine con un 
elevato modulo elastico, ha comportato un sensibile aumento non soltanto della resistenza a 
trazione e a compressione del prodotto, ma anche e soprattutto della tenacità alla frattura. 
Infine, possiamo sicuramente affermare che la matrice protegge le fibre dall’ambiente 
esterno, e opera come arresto alla propagazione delle fessurazioni da una fibra all’altra. 
Esistono matrici di varia natura, secondo la quale è possibile suddividere i compositi in varie 
categorie: 
 
Resistenza alla corrosione
Durata
Antistatici o ad alta 
conducibilita’ elettrica
Resistenza all’abrasione
Ignifughi
Flessibilita’ nel disegno
Stabilita’ dimensionale
Alta capacita’ di adattamento ad altri 
materiali
CARATTERISTICHE DEI MATERIALI COMPOSITI
PRINCIPALI FORMA E DISEGNO OPZIONALI
Alta resistenza e basso 
peso
• Compositi a matrice Ceramica (CMC); 
• Compositi a matrice Metallica (MMC); 
• Compositi a matrice Polimerica (PMC); 
• Compositi Carbonio-Carbonio: 
• Compositi ibridi. 
 
La nostra attenzione è rivolta alle matrici polimeriche, che, in prima approssimazione 
possono essere suddivise in termoplastiche e termoindurenti. 
 
 
1.3.1 Resine Termoplastiche 
Sono quelle resine che hanno la proprietà di variare la loro plasticità in funzione del calore: 
durante il riscaldamento diminuiscono la loro densità (rammolliscono) mentre con il 
raffreddamento diventano solide. La loro struttura, infatti, è amorfa o parzialmente 
cristallina e le macromolecole, se sottoposte a calore, sono libere di scorrere le une sulle 
altre in quanto legate tra loro da deboli legami secondari. Di contro, se sottraiamo calore, le 
molecole si legano saldamente tramite legami forti. 
Particolarmente interessante, è la cosiddetta Temperatura di Transizione Vetrosa (T
g
): 
rappresenta il valore di temperatura al di sotto del quale, un materiale amorfo (o con 
struttura semi-cristallina) si comporta da solido vetroso. Tale temperatura segna il confine 
tra uno stato solido vetroso (caratterizzato da elevata rigidità e fragilità) ed uno stato amorfo 
gommoso (caratterizzato da elevata viscosità), e come vedremo più avanti, rappresenta un 
punto cruciale nella caratterizzazione dei provini tramite DMTA. 
Almeno teoricamente, i passaggi di liquefazione e solidificazione per questi materiali si 
possono ripetere infinite volte; tuttavia, dopo un certo numero di cicli, sopraggiungono 
fenomeni di ossidazione e quindi degradano.  
Un esempio di resina termoplastica è la resina PEEK (Polyether-ether-keton), che è stata 
utilizzata in alcune delle prove effettuate in laboratorio e che presenta elevate 
caratteristiche meccaniche: Modulo di Young (E) di circa 3.6 GPa, Resistenza a Trazione di 
circa 100 MPa e T
g
 pari a 143 °C. 
Uno studio condotto da Shang-Lin Gao [7] su provini realizzati con resina PEEK, ha 
dimostrato che la tenacità alla frattura interlaminare del composito dipende dalla velocità di 
raffreddamento della resina: ciò, infatti, influenza la cristallinità e quindi la duttilità della 
matrice, la cui entità di deformazione plastica rappresenta un’aliquota significativa della 
resistenza del composito. I risultati dei test in modo I di apertura, hanno mostrato un 
miglioramento del 230% della tenacità alla frattura del materiale, quando la velocità di 
raffreddamento è stata portata da 1 ad 80 °C/min.