Materiali avanzati e compositi: proprietà, applicazioni e classificazione

Materiali Avanzati

La prima definizione di "materiale avanzato" è in The Encyclopedia of Advanced Materials (Elsevier, Oxford, 1994), di Michael Bever ed altri, "in cui la caratteristica principale riguarda la capacità di sintesi e di controllo della struttura del materiale al fine di ottenere un preciso insieme di proprietà su misura, finalizzate ad applicazioni su richiesta". Carla Langella (Nuovi paesaggi materici, Alinea, Firenze) definisce materiali innovativi avanzati "quei materiali progettati su misura per soddisfare una o più esigenze| ... ]perché sono stati funzionalizzati mediante modifiche chimiche e fisiche che gli hanno conferito delle particolari proprietà che li rendono in grado di svolgere le funzioni richieste [ ... ] grazie all'avanzamento delle ricerche sulle relazioni esistenti tra microstruttura e proprietà macroscopiche; lo sviluppo delle tecnologie di processo e di lavorazione e l'evoluzione delle tecniche sperimentali". Perez Arroyo (Emergency Technologies and Housing Prototypes, EMVS - Berlage Institute Postgraduate Laboratory of Architecture, Black Dog Publishing, London 2007) stila un elenco di requisiti ambientali: "Un materiale può essere considerato avanzato per le seguenti ragioni: - Non è inquinante durante il processo di produzione -E' realizzato con tecnologia a basso costo -E' completamente tollerabile, riciclabile e biodegradabile -E' facile da stoccare -E' leggero pur mantenendo alte resistenze meccaniche -Riunisce in sé proprietà di materiali diversi (compositi e nanocompositi) -E' ottenuto attraverso un trasferimento tecnologico da applicazioni in altri campi scientifici".

Materiali Compositi

I compositi sono materiali artificiali, non esistenti in natura, costituiti da una combinazione di due o più sostanze diverse. Obiettivo di un materiale composito è quello di esaltare le migliori proprietà di tutti i suoi costituenti ed eliminare o ridurre le caratteristiche I compositi più comuni sono costituiti da fibre sintetiche in un materiale plasmabile detto matrice, la cui funzione è quella di tenere in posa le fibre di rinforzo, di proteggerle e di mantenere la forma del manufatto realizzato. La matrice di solito è una resina plastica che circonda e si lega strettamente alle fibre. I compositi più impiegati sono costituiti da fibre di materiale ceramico, di carbonio o di vetro inglobate in una matrice di resina plastica. Materiali con caratteristiche particolari vengono ottenuti sostituendo le resine plastiche con matrici metalliche o ceramiche.

• Il concetto chiave dei compositi è quello di unire due o più materiali a caratteristiche diverse, che da soli non hanno un grande pregio ma che uniti esaltano le loro proprietà: l'unione fa la forza.
• Inoltre, le fibre di rinforzo hanno proprietà meccaniche nettamente migliori, sia in termini di resistenza che di rigidezza, del materiale massivo: questo perché la diminuzione delle dimensioni caratteristiche implica un miglioramento delle prestazioni meccaniche, dovuto, da un lato al fatto che la fibra ha, per il processo costruttivo, una struttura più perfetta del materiale massivo e dall'altro alla diminuzione della probabilità di trovare dei difetti importanti in corpi a dimensioni piccole.

*Tino di preatiali to mosi ge alimension ai, teriali o gusti t per quanto concerne il loro comportamento meccanico e l'impiego strutturale, si possono dividere in:

• compositi a fibra corta: le fibre sono disperse aleatoriamente in una matrice isotropa; il comportamento meccanico macroscopico è globalmente isotropo;
• compositi a fibra lunga: le fibre sono disposte in modo ordinato e orientato in una matrice isotropa; il comportamento meccanico macroscopico è globalmente anisotropo.
• Questi materiali vengono poi generalmente assemblati per costituire dei macro-materiali compositi, che sono essenzialmente di due tipi:
• laminati: sono ottenuti per sovrapposizione di lamine in composito diversamen profetate: il comportamento meccanico macroscopico
• sandwich: sono pannelli concepiti per impieghi in flessione; generalmente il comportamento macroscopico è isotropo nel piano.

Materiale Costituito da Diverse Parti

Scala ATOMICA Scala MICROSCOPICA 1-100 um Scala MACROSCOPICA Da 0.1 mm Layers of a Standard Composite Construction Wat 0- O H H o-C C-O-C-C H H Gel Coul Fiberglass Foam lesdabon Fiberglass Gel Cret

Classificazione dei Materiali Compositi

Meccanismo di Resistenza

Classificazione schematica dei materiali compositi Compositi Rinforzati con particelle Fibro-rinforzati Strutturali Particelle grandi Dispersione di particelle Fibre continue (allineate) Fibre discontinue (corte) Laminati Pannelli sandwich Allineate Casualmente orientate

• Principali costituenti dei compositi a matrice organica: sono essenzialmente due, la matrice e le fibre.
• A loro volta, queste sono per lo più dei tipi seguenti: resine epossidiche; resine poliuretaniche; ·resine poliammidiche; resine fenoliche. Fibre: · vetro; ·carbonio; · kevlar; · boro; · berillio.
• Un uso sempre maggiore, legato anche a problemi ambientali, è quello di fibre di origine vegetale (canapa e simili).

Materiali Compositi: Matrice e Rinforzo

Polimero Matrice Metallo Ceramico Vetro Fibre Carbonio Materiali Compositi Rinforzo Polimeriche · Rigide Particelle (fillers) Gomme Agenti accoppianti: migliorano la bagnabilità delle fibre e/o promuovono la formazione di legami all'interfaccia fibra/matrice MATRICE LAMINA + FIBRE - Schema semplificato di una lamina LAMINE LAMINATO

Tipologie e Campi di Uso dei Compositi

Tipologia Esempi Componenti Campi di uso Compositi a matrice organica cartone pneumatici laminati plastiche rinforzate cellulosa, cariche caucciù, acciaio resine organiche, fibre di vetro, carbonio, boro, etc. resine, fibre corte imballaggi etc. trasporti impieghi strutturali diversi impieghi diversi Compositi a matrice minerale calcestruzzo compositi C-C compositi ceramici cementi, sabbie, ghiaie, additivi C, fibre di C ceramiche, fibre ceramiche ingegneria civile aerospaziale, aviazione, sport, biomeccanica componenti termomeccanici Compositi a matrice metallica Al/fibre di B Al/fibre di C aerospaziale Leghe acciai leghe di Al ottoni C, Fe, Mn, Cr, Al, Cu, Sn etc. impieghi diversi, strutturali e non

Proprietà e Caratteristiche dei Materiali Compositi

Materiali Compositi Ceramica Resine Termoplastiche Polimerica Matrice Metallica costituiti da: Particellare Rinforzo Fibre Corte Fibre Fibre Lunghe Conferiscono rinforzo, con maggiore efficienza, nella direzione della loro disposizione Alta Perfezione Strutturale Modulo Elastico molto elevato 7 Proprietà Comportamento Elastico Lineare fino alla rottura Caratteristiche principali ·Leggerezza ·Estetica ·Facilità di lavorazione ·Elevata ·Resistenza alla corrosione ·Resistenza meccanica (anche ad alte T) Resine Termoindurenti

Prodotti di Base e Semilavorati

L'industria produce una serie di prodotti di base e di semilavorati con i quali in seguito vengono assemblati i vari prodotti finali. I prodotti di base sono: fibre; mats; tessuti; lamine preimpregnate. I semi-lavorati (ma che a volte sono proprio, specie nelle applicazioni di punta, il prodotto finale) sono essenzialmente laminati; sandwich. Fibre: sono il costituente base del rinforzo dei compositi; vengono filate in bobine, come un filo qualunque, e sono in genere di vetro o carbonio. vetro carbonio

Prodotti di Base e Semilavorati: Tessuti e Lamine

• Tessuti: generalmente, i rinforzi sono forniti sotto forma di tessuto; i principali tipi di tessuto sono: Taffetas (plain) Sergé (twill) Satin
• Esistono anche tessuti multidirezionali, per usi speciali (soprattutto per campi di sforzo tridimensionali). D 90 -45. Stitched Braided 3D
• Lamine pre-impregnate: sono semilavorati composti da fibre e resina da polimerizzare (in diversi modi).
• Le fibre possono essere disposte in una sola direzione o tessute; il comportamento è sempre anisotropo.
• Laminati: sono ottenuti per sovrapposizione di lamine, in genere a rinforzo unidirezionale o tessuto, disposte secondo differenti orientazioni.
• Generalmente l'assemblaggio delle lamine avviene per polimerizzazione dell'insieme, a volte per collaggio (per esempio nella tecnologia del legno compensato). Nel primo caso, quindi, la suddivisione in lamine del prodotto finito è una pura convenzione.
• I laminati vengono utilizzati, come materiali strutturali, laddove vi sia da un lato la necessità di elevate prestazioni meccaniche in termini di rigidezza, resistenza, comportamento alla fessurazione, e dall'altro l'esigenza di limitare il peso.
• Questi materiali devono essere progettati secondo le necessità ed oggi si affaccia anche l'idea, e la tecnologia, di realizzare laminati con disposizione continuamente variabile delle fibre, in quantità e direzione.

Campi di Utilizzo dei Laminati e Sandwich

I campi di utilizzo principali sono dunque l'aeronautica e lo sport.

• Sandwich: i pannelli sandwich sono la generalizzazione della trave a doppio T al caso bidimensionale. Il concetto è quello classico di mettere la parte resistente a flessione laddove serve, all'esterno, e riempire la parte centrale con un materiale leggero (schiume solide, balsa, reticoli a nidi d'ape), preposto a trasmettere gli sforzi di taglio.
• I pannelli sandwich sono dunque utilizzati in quei casi in cui l'imperativo della leggerezza è dominante nelle strutture sollecitate essenzialmente in flessione. I campi di applicazione strutturale più importanti sono dunque quello navale, aerospaziale, aeronautico, sportivo. Skin in tension Core in shisur Skin in comprassion 10

Pannello Honeycomb

Pannello honeycomb 24 di 8Anima in alveolare di alluminio (lega std EN AW 3003] celle esagonali Lamina microforata in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro" h. 0,5 mm 1/4" [6,35 mm] I pannelli ALUCELL della serie GRIDS sono realizzati accoppiando l'honeycomb di alluminio mediante incollaggio a due reti in fibra di vetro impregnata con resina epossidica, entrambe le lamine presentano una microforatura che favorisce l'ancoraggio dell'adesivo per l'incollaggio di rivestimenti. Questo pannello, studiato appositamente per il settore del marmo e delle pietre naturali, è caratterizzato da un'elevata resistenza meccanica e permette di limitare lo spessore della pietra utilizzata garantendo piani leggeri ma molto resistenti. Le pietre naturali possono essere incollate direttamente sulla superficie microforata in fibra di vetro, ottenendo un pannello con marmo, granito o mosaico con ottime proprietà meccaniche. un pannello composito di alluminio con il suo nucleo minerale, ALUCOBOND® A2 è conforme alle più rigide direttive antincendio .Come tutti i prodotti della famiglia ALUCOBOND®, ALUCOBOND® A2 è facile da lavorare, resiste a urti, rotture e intemperie ed è ignifugo.