Capitolo 1 Generalità sui materiali compositi
• Particelle o whiskers
- orientazione casuale
- orientazione preferenziale
2) Configurazione del laminato
• Unidirezionale (varie lamine sovrapposte con la stessa orientazione)
• Multidirezionale (le lamine hanno orientazioni differenti)
3) Struttura ibrida
• Materiali diversi in vari strati
• Rinforzi diversi in uno stesso strato
I materiali compositi fibrorinforzati sono i più utilizzati grazie alle loro proprietà
meccaniche e alla bassa densità. Il materiale ridotto a fibra presenta proprietà meccaniche
migliori rispetto al materiale in massa, sia perché, come nel caso del vetro, i difetti sono
ridotti al minimo, sia perché, come per le fibre di carbonio o arammidiche, i legami
interatomici sono orientati. Le fibre, comunque, non possono essere usate da sole, ma
necessitano della matrice, che le tiene insieme, sopporta i carichi trasversali e le protegge
dagli agenti esterni. Per questo motivo le proprietà meccaniche del composito sono
inferiori rispetto a quelle delle fibre pure, ma rimangono comunque più elevate rispetto a
quelle di numerosi materiali tradizionali.
1.1 Fibre di rinforzo
I compositi sono rinforzati sia con fibre continue, sia con fibre discontinue, sia con
particelle. Le fibre discontinue sono solitamente fibre corte ottenute dal frazionamento di
fibre continue; in alcuni casi possono anche essere prodotte direttamente come fibre corte.
Nel presente lavoro sono state utilizzate fibre continue di carbonio.
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Capitolo 1 Generalità sui materiali compositi
Tabella 1. Caratteristiche delle fibre di rinforzo
Le fibre vengono utilizzate nei materiali compositi perché sono leggere, rigide e resistenti.
Nei materiali unidirezionali sono disposte in varie lamine ognuna delle quali ha la stessa
orientazione, portando così, però, a scarse proprietà lungo le direzioni trasversali. Nei
laminati multidirezionali varie lamine sono sovrapposte con diverse orientazioni.
Le principali fibre utilizzate sono le fibre di carbonio, le fibre di vetro e le fibre
arammidiche.
1.1.1 Fibre di carbonio
Le fibre di carbonio, apparse sul mercato nei primi anni ’60, sono fibre sintetiche
caratterizzate da elevata resistenza meccanica e rigidità.
Industrialmente le fibre di carbonio vengono prodotte per lavorazioni ad altissima
temperatura di particolari fibre polimeriche dette precursori. Il precursore attualmente più
utilizzato è il poliacrilonitrile (PAN), un materiale molto utilizzato sia in edilizia (aggiunto
a malte e calcestruzzi), sia in campo tessile. A partire da questo materiale, si ottiene la fibra
di carbonio in tre fasi: riscaldamento, ossidazione e carbonizzazione. Nel primo stadio,
necessario per la rottura del legame trivalente esistente nella cella elementare del polimero,
tra azoto e carbonio, le fibre di poliacrilonitrile vengono riscaldate in aria fino a 300-
400°C. Al termine del riscaldamento si forma una struttura ciclica ad anello chiamata
tetraidropiridina.
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Capitolo 1 Generalità sui materiali compositi
Figura 1. Processo di riscaldamento
Aumentando ulteriormente la temperatura si passa alla fase di ossidazione, nella quale
vengono rotti i legami tra carbonio e idrogeno. La temperatura di processo è, in questo
caso, di circa 700°C. Gli anelli precedentemente formatisi diventano aromatici, e si libera
idrogeno in forma gassosa.
Figura 2. Processo di ossidazione
La fase di carbonizzazione viene condotta in assenza di aria. In un primo stadio la
temperatura viene fatta salire a valori compresi tra 400 e 600°C. Le catene aromatiche
formate in precedenza si fondono letteralmente mediante espulsione di atomi di idrogeno,
che si libera in forma di gas. Al termine di questo processo si ottiene un polimero a nastro,
costituito da tre catene di anelli aromatici che presentano alle estremità laterali atomi di
azoto.
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Figura 3. Prima fase della carbonizzazione
Per ottenere la fibra di carbonio, è necessario aumentare ulteriormente la temperatura, fino
a 1300°C, sempre in assenza di aria. Gli atomi di azoto vengono gradualmente espulsi in
forma gassosa a seguito della progressiva fusione laterale dei polimeri a nastro per
realizzare nastri sempre più larghi. Il risultato finale è la formazione di polimeri a struttura
granitica pressoché pura, continua e regolare lungo tutta la fibra.
Figura 4. Fasi successive della carbonizzazione
Le ottime proprietà meccaniche della fibra di carbonio derivano, quindi, dalla disposizione
dei nastri lungo la direzione della fibra.
A seconda della composizione reale del poliacrilonitrile iniziale, o della variazione di
parametri durante il processo, le fibre di carbonio possono avere diversi moduli elastici e
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diverse resistenze a rottura. In base alle caratteristiche meccaniche vengono classificate
con delle sigle: HS (high stiffness), IM (intermediate modulus), HM (high modulus), UHM
(ultra high modulus).
Tabella 2. Caratteristiche meccaniche di diversi tipi di fibre di carbonio a confronto con l'acciaio
La temperatura massima di esercizio per le fibre varia dai 315° ai 537°C, ma spesso è la
matrice che la limita. Il fattore più critico nell’utilizzo delle fibre di carbonio è, spesso,
l’elevato costo; questo può essere giustificato in tutte le applicazioni che richiedono alte
prestazioni meccaniche e una bassa densità, come in aeronautica o in campo navale,
oppure quando sono richieste altre proprietà specifiche delle fibre di carbonio.
1.1.2 Fibre di vetro
Le fibre di vetro presentano le tipiche proprietà del vetro quali durezza, resistenza alla
corrosione e inerzia chimica. Grazie alla geometria, però, sono anche flessibili e leggere.
Tali proprietà fanno sì che la fibra di vetro sia la più utilizzata in applicazioni industriali a
basso costo. La struttura della fibra di vetro è la stessa del vetro (biossido di silicio), ma le
ridotte dimensioni della fibra rendono minimi i difetti presenti nel materiale, conferendo
buone proprietà meccaniche. Esistono diversi tipi di fibre di vetro, in quanto tutte hanno
rigidezza simile, ma differente resistenza e degradazione ambientale. Le fibre di vetro E
sono utilizzate dove sono richieste alta resistenza meccanica e chimica; questo tipo di fibra
è uno dei più utilizzati in applicazioni strutturali grazie alla combinazione di proprietà
meccaniche, resistenza alla corrosione e basso costo. Le fibre S hanno un’elevatissima
resistenza meccanica, ma il loro utilizzo è piuttosto limitato a causa dell’alto costo. Le
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fibre C sono utilizzate dove è richiesta un’elevata resistenza alla corrosione, le D per
applicazioni elettriche. Per le fibre E si sono ottenuti valori di resistenza a trazione fino a
3,5 GPa, mentre per le S fino a 4,8 GPa; questi valori, tuttavia, non possono essere ritrovati
nel composito, dal momento che il danneggiamento che inevitabilmente si ha durante la
realizzazione del materiale porta i valori fino a 1,75 GPa per le E e 2,10 GPa per le S.
Inoltre anche gli sforzi residui e i carichi secondari sopportati dalle fibre all’interno della
matrice, portano alla riduzione della resistenza. Nel campo di temperature in cui
solitamente operano le matrici, le proprietà meccaniche della fibra di vetro possono essere
considerate costanti; tuttavia a temperature maggiori la resistenza a trazione delle fibre si
riduce. Altri fattori che possono portare alla riduzione delle proprietà meccaniche sono la
corrosione chimica e la corrosione statica.
1.1.3 Fibre arammidiche
Le fibre arammidiche sono fibre organiche, prodotte da DuPont, Teijin e Akzo Nobel con
il nome di Kevlar, Technora e Twaron. La struttura della fibra e la reazione di sintesi sono
illustrate in Figura 5.
Figura 5. Sintesi della fibra arammidica
Dal momento che questi polimeri non possono fondere, con conseguente formazione di un
fluido viscoso, la tecnologia di produzione delle fibre arammidiche è simile a quella delle
altre fibre organiche: estrusione ad alta velocità e alta temperatura del polimero in
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soluzione, con successivo raffreddamento veloce ed essiccamento. La sintesi del polimero
viene fatta a monte dell’estrusore. Le fibre così prodotte vengono sottoposte ad un
trattamento di orientazione a caldo per avvolgimento su bobine, per migliorarne le
caratteristiche meccaniche.
La principale caratteristica di queste fibre è l’elevata tenacità, ovvero la capacità di
assorbire alte quantità di energia prima della frattura, che le rende ideali per applicazioni
quali protezioni antiproiettile. Il grande svantaggio nell’uso di queste fibre è la scarsa
resistenza a compressione, dovuta all’anisotropia della fibra che porta a snervamento
localizzato. Oltre a questo, essendo fibre organiche, sono soggette al creep e si degradano
per azione della radiazione ultravioletta. Le proprietà meccaniche, intermedie tra quelle
delle fibre di carbonio e quelle di vetro, sono sensibili alla temperatura: la resistenza a
trazione, ad esempio, passando da temperatura ambiente a 170°C si riduce del 75-80%
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1.1.4 Compatibilità fibra-matrice
La maggior parte delle fibre viene ricoperta con una sostanza chiamata appretto per
proteggere le fibre stesse dal danneggiamento durante il processo di fabbricazione.
L’appretto svolge l’azione di lubrificante e agente antistatico; inoltre permette alle fibre di
aderire alla matrice nella quale sono inglobate.
Figura 6. Struttura del composito
Lo stesso tipo di fibra richiede appretti differenti in funzione del polimero utilizzato come
matrice; la resistenza interlaminare del composito può essere un indice della qualità
dell’unione tra fibra e matrice.
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