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Capitolo 1
Introduzione ai materiali compositi
1.1 Definizione e cenni storici sui materiali compositi
La pratica di combinare materiali diversi per ottenere prodotti di qualità superiore ha
origini antiche. In tempi remoti, ad esempio, sono stati utilizzati mattoni di fango,
rinforzati con paglia per costruire case; più di recente l’uso di calcestruzzo e di barre
d’acciaio come rinforzo ha permesso la costruzione di edifici moderni, ponti, ecc.. Oggi è
possibile realizzare le strutture dei velivoli con materiali composti da una matrice
rinforzata da fibre.
Numerosi esempi di compositi sono presenti anche in natura, come il bamboo che è un
composto filamentoso.
In passato il legno è stato molto utilizzato come composito naturale, le varie tecniche di
lavorazione avevano lo scopo di esaltarne le proprietà favorevoli ed eliminare quelle
indesiderate per una certa applicazione.
Nei primi anni ’60 la diffusione di filamenti di boro, inseriti in una matrice di resina
epossidica, ha dato origine a una nuova generazione di materiali compositi. Da allora sono
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stati utilizzati nuovi materiali, tra i quali tre tipi di fibre di carbonio e grafite, fibre in
materiale organico come il Kevlar, fibre di vetro o ceramiche e nuovi materiali per la
matrice tra cui le poliammidi, i termoplastici, e anche materiali quali alluminio, titanio, e
nickel. Ciò ha permesso di creare delle strutture più efficienti, con lo scopo finale di
realizzare trasporti commerciali più leggeri e quindi in grado di risparmiare sul consumo
di carburante. Grazie alle specifiche proprietà dei materiali compositi, sono stati ottenuti
risparmi in peso dei componenti fino al 30%, permettendo anche di realizzare velivoli da
combattimento con velocità e range più elevati, estendendo le funzionalità di missione. I
caccia moderni presentano strutture con un’alta percentuale di compositi avanzati, come si
può desumere dal diagramma, riportato in figura 1.
Figura 1 – Distribuzioni dei materiali nel caccia F-22
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I materiali che impiegano fibre continue con modulo di rigidezza elevato, come boro e
carbonio (o grafite), sono definiti compositi avanzati. Questa è la classe di materiali che ha
avuto e avrà in futuro il maggiore impatto sulle tecnologie di progettazione aeronautica. Il
termine materiali compositi o compositi avanzati è riferito a una classe di materiali
costituiti da fibre ad elevato modulo (rigidezza), elevata resistenza e di piccolo diametro
(dai 6 ai 10 micron) contenute in una matrice essenzialmente omogenea. Il risultato è
quindi un materiale anisotropo.
Figura 2 – Contenuto dei materiali compositi
A fronte dei vantaggi forniti dall’impiego dei compositi, prima ricordati, è necessario
sottolineare che le strutture risultanti sono generalmente più costose di quelle equivalenti
in metallo. Questi costi elevati sono dovuti al prezzo delle materie prime, ai molti processi
di lavorazione, alle procedure di controllo qualità, e al fatto che la maggiore attenzione si
ha nel massimizzare il risparmio di peso. Per raggiungere l’obiettivo di contenere il peso e
il costo, gli approcci di progettazione dovrebbero puntare sulla semplificazione strutturale,
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su un ridotto numero di componenti e sull’eliminazione di costose caratteristiche di
progettazione.
Alettone Deriva
Figura 3 – Confronto tra alettone e deriva in composito e controparti in alluminio –
L-1011
Negli anni recenti, un numero rilevante di ricerche è stato diretto allo sviluppo di
compositi avanzati per impiegarli nelle strutture primarie soggette a forti carichi (l’ala, la
fusoliera e gli impennaggi) sia dei velivoli commerciali che militari.
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1.2 Importanza dei compositi nella progettazione aeronautica
I materiali compositi sono ideali per le applicazioni strutturali in cui sono richiesti elevati
rapporti resistenza-peso e rigidezza-peso. I velivoli aeronautici e spaziali sono tipicamente
strutture “sensibili” al peso, per cui i materiali compositi possono avere un grande impatto
sui costi di esercizio. Quando i vantaggi dei compositi saranno utilizzati pienamente, sia i
velivoli aeronautici sia quelli spaziali saranno progettati in modo differente dal presente.
I vantaggi derivano dalle seguenti caratteristiche.
- Capacità di progettare il materiale così come la struttura.
- Proprietà strutturali superiori.
- Possibilità di assemblare in una condizione soft e cuocere per indurire.
Gli stessi compositi, oltre che presentare dei vantaggi, sono portatori di alcune
problematiche.
- Necessità di nuovi stress methods (anisotropi o ortotropi).
- Necessità di programmi per le computer analysis.
- Errori nella progettazione del materiale.
- Mancanza di esperienze.
Lo studio dei compositi attualmente include diverse discipline, come i processi di
lavorazione, l’elasticità anisotropa, la resistenza dei materiali anisotropi e la
micromeccanica.
Nei decenni passati sono stati sviluppati una vasta gamma di materiali compositi che
offrono proprietà meccaniche competitive con quelle del comune alluminio e acciaio ad un
peso inferiore.
La Figura 4 presenta un confronto tra le proprietà di alcuni differenti compositi e materiali
metallici convenzionali. Con i materiali compositi è possibile localizzare e orientare i
rinforzi in quantità sufficiente e nell’opportuna direzione, anche in aree molto localizzate,
per sopportare i carichi previsti.
Inoltre, con questi materiali è possibile realizzare strutture come l’ala con freccia in avanti
dell’X29A, con caratteristiche aerodinamiche, che non sarebbero possibili se la struttura
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fosse realizzata in metallo.
Figura 4 – Confronto tra materiali compositi e convenzionali
Figura 5 – X-29A Ala in composito con freccia in avanti
Storicamente i materiali in alluminio sono stati i più utilizzati per la costruzione di velivoli
aeronautici e spaziali. Oggi i requisiti in peso e rigidezza delle strutture hanno superato le
capacità dell’alluminio convenzionale.
Per raggiungere il migliore design strutturale con i compositi, i progettisti dovrebbero
essere addestrati per acquisire delle conoscenze di base ed un’esperienza di pari livello a
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quelle maturate con le strutture metalliche.
Bisogna tenere conto che in alcune aree dell’airframe l’uso dei materiali metallici è ancora
la scelta più efficace. Infatti, come anticipato, i costi dei materiali compositi sono elevati
se comparati a quelli delle comuni strutture in metallo. Anche i costi di progettazione sono
elevati con questi nuovi materiali a causa dell’alto costo per le analisi, per i test sui
componenti, per le prove di certificazione. Risultano maggiori anche i costi per la
realizzazione di prototipi, per la produzione e per il controllo qualità. Le possibilità di
abbassare i costi sono date dalle seguenti caratteristiche.
- Concetti innovativi di progettazione che considerino anche la produzione oltre che gli
aspetti di ispezione e riparazione.
- Basso numero di componenti.
- Eliminazione di costose giunzioni, o comunque un uso ridotto.
- Uso di metodi automatici per abbattere i costi di fabbricazione.
L’applicazione dei materiali compositi avanzati nei velivoli civili è generalmente rimasta
indietro rispetto all’uso per quelli militari, le cause sono riportate in seguito.
- Il costo è un fattore più importante per i produttori di velivoli commerciali.
- La sicurezza è un parametro più critico, sia per i produttori che per le agenzie di
certificazione governative.
In definitiva, l’uso dei compositi è basato sulle seguenti considerazioni.
- Può essere ottenuto un significativo risparmio in peso.
- L’uso dei compositi, se si contemplano gli accorgimenti sopra citati, può anche ridurre
i costi.
- E’ stato verificato con delle prove che le strutture in composito rispondono a tutti i
requisiti strutturali.
Il costo relativamente elevato delle materie prime può essere ridotto da attente valutazioni
di progettazione e dei processi di fabbricazione per minimizzare i costi di produzione,
ispezione e riparazione. Ovviamente i compositi derivano la maggior parte della loro
resistenza dalle fibre, che sono di molti tipi diversi e possono essere arrangiate in diversi
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modelli, anche in configurazioni tridimensionali con intrecciature e tessiture. Questi
modelli complessi possono produrre configurazioni con enorme resistenza in tutte le
direzioni. Tutto ciò ha portato al contributo di molti settori specializzati che fino ad ora
non erano stati coinvolti nella produzione di strutture aeronautiche. I produttori delle
strutture di velivoli da trasporto stanno estendendo l’uso dei compositi da aree non critiche
ad altre zone più critiche di strutture secondarie, includendo le superfici dei controlli di
volo e le strutture primarie degli impennaggi.
Figura 6 – Il progressivo uso di compositi nelle strutture dei trasporti commerciali
Le applicazioni includeranno presto le strutture della fusoliera e dell’ala, per cui i vantaggi
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in termini di costi e peso saranno immediatamente apprezzati.
Fin dall’inizio degli anni ’80, un airframe realizzato totalmente in composito o
principalmente in composito è diventata una caratteristica fondamentale per lo sviluppo e
la realizzazione di un velivolo business o dell’aviazione generale. Queste tecniche
innovative di design e produzione sono state pioniere nello sviluppo delle strutture in
composito.
1.3 Caratteristiche dei compositi
Le fibre più comunemente usate nei compositi avanzati sono carbonio, grafite, Kevlar e
boro. Generalmente, quando il modulo delle fibre aumenta, la resistenza a trazione
decresce. Tra queste fibre, quella di carbonio è la più versatile dei rinforzi avanzati e la più
utilizzata nell’industria aerospaziale. I prodotti sono disponibili come tapes unidirezionali
preimpregnati (prepreg) o stoffe intessute. Questa ampia gamma di prodotti rende
possibile selezionare materiali e configurazioni su misura per quasi ogni applicazione. I
materiali della matrice, utilizzati nei compositi avanzati per collegare le fibre, sono svariati
come quelli per i rinforzi. Sono usati come matrici le resine o materie plastiche, i metalli e
anche i materiali ceramici. Oggi la resina epossidica è il principale termoindurente
utilizzato nelle applicazioni aeronautiche e aerospaziali. In tutti i materiali termoindurenti
la matrice è curata in un certo tempo, ad elevate temperature e pressione, in un’apposita
struttura in cui i rinforzi sono allineati nella direzione dei carichi previsti. Un elemento
importante per determinare il comportamento del materiale è proprio la composizione
della matrice che tiene insieme le fibre. La scelta della formulazione della matrice
determina il ciclo di cura ed ha effetto sulle proprietà quali il creep, le resistenze a
compressione e taglio, la resistenza termica, la sensibilità all’umidità e agli ultravioletti;
tutto ciò ha effetto sulla stabilità del composito a lungo termine. Nel seguente elenco sono
riportate le caratteristiche di una selezione di matrici per compositi. Le prime cinque
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