I materiali compositi

Un materiale composito comprende qualsiasi tipo di materiale formato da più di un componente. La scoperta di questo tipo di materiali ha origini molto antiche, infatti, è noto che già gli antichi egizi erano soliti miscelare la paglia con il fango al fine di ottenere mattoni da costruzione più resistenti e meno fragili di quelli costituiti dal solo fango. E’ quindi, un qualunque tipo di materiale caratterizzato da una struttura non compatta, costituita dall’ insieme di una o più sostanze diverse, fisicamente separate o dotate di proprietà differenti. In pratica, però, si attribuisce il nome di composito al materiale la cui struttura risulta costituita dalle seguenti due parti:
– una omogenea, detta matrice, che può essere sostituita da una sostanza plastica, metallica o ceramica; la sostanza più utilizzata è quella plastica perché garantisce una massa volumetrica globale estremamente bassa;
– l’altra discontinua e fibrosa, detta rinforzo, che ha il compito di aumentare la resistenza meccanica.
L’insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado si garantire proprietà meccaniche elevatissime e massa volumica decisamente bassa, come si può riscontrare dalle caratteristiche delle principali fibre, utilizzate come rinforzo.

 

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Un materiale composito è costituito da:

1. la matrice che, bloccando le fibre, trasferisce loro il carico esterno e le protegge dai fattori ambientali, dall’ usura e da eventuali azioni meccaniche di taglio;
2. il materiale di rinforzo (o carica) che viene aggiunto sotto forma di fibre lunghe, fibre corte o particelle (Figura 2);
3. l’interfaccia tra il materiale di rinforzo e la matrice

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A seconda del tipo di rinforzo, i materiali compositi si suddividono in:

1) compositi particellari: il rinforzo è costituito da particelle;

2) compositi rinforzati con fibre

Tipologie di materiali compositi rinforzati con fibre:

a) con fibre continue
b) con fibre discontinue allineate
c) con fibre discontinue orientate in maniera casuale

I compositi rinforzati con fibre possono essere: a fibre continue o lunghe, a fibre discontinue o corte allineate tra loro o a fibre discontinue o corte disposte in modo casuale. Le fibre possono essere in: fibre di vetro, di carbonio, ceramiche, aramidica o basalto. Le fibre di carbonio hanno delle proprietà meccaniche elevate:

– resistenza a trazione e rigidecca doppia o tripla rispetto ai migliori acciai.

– peso specifico inferiore

Per poter realizzare dei prodotti a fibra di carbonio, per esempio tessuti è necessario utilizzare tessuti pre-impregnati di qualità industrale dove la resina viene applicata in modo uniforme.
E’ importante eliminare le bolle d’aria che si formano durante le fasi iniziali della lavorazione, cosa non banale se consideriamo dei grandi strati di tessuto impregnati di materiale adesivo e sovrapposti uno sull’altro. Per assicurarsi l’assenza di bolle di aria è necessario utilizzare un autoclave, che è un grosso forno sotto pressione la quale raggiunge 7/8 bar e la temperatura va dai 130° ai 180° necessari per polimerizzare la resina (ovvero rendere l’impasto solido).

Le proprietà dei materiali compositi sono strettamente legate alle proprietà dei singoli materiali componenti, dalla loro forma, dimensione, concentrazione, distribuzione e orientamento.I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati costituenti e principalmente sono di due tipi: il legante, o matrice, ed il rinforzo. Il rinforzo e’ di solito molto piu’ rigido e resistente che non la matrice e da’ al composito le caratteristiche per le quali e’ conosciuto. La matrice mantiene i materiali di rinforzo in posizione, e poiche’ quet’ultimi sono solitamente discontinui tra loro, la matrice ha anche la funzione di trasferimento dei carichi. La resistenza e la rigidezza del materiale composito dipendono in gran parte dal materiale di rinforzo e, in particolare nel caso di fibre lunghe o corte, dall’orientazione delle fibre rispetto ai carichi applicati. Il comportamento meccanico non dipende solo dal materiale di rinforzo ma anche dalla sinergia tra il rinforzo e la matrice. Ad esempio, quando un fascio di fibre senza matrice è sottoposto a sollecitazione, la rottura di una di esse comporta che lo sforzo venga trasferito alle fibre rimanenti,con conseguente diminuzione della resistenza globale del fascio. Se, invece, le fibre sono immerse in una matrice, la rottura di una fibra non compromette la sua resistenza meccanica.

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Le proprietà meccaniche dei materiali compositi risultano in continua crescita ed investono ormai tutti quei settori della produzione dove è necessario soddisfare esigenze di basso peso ed elevate caratteristiche meccaniche.  Ci sono molti compositi anche nella quotidianità: il calcestruzzo è un composito formato da cemento, ghiaia e sabbia e spesso al suo interno vengono inserite delle sbarre di ferro per rinforzarlo.  Indossare dei guanti di gomma o impermeabili in film continuo non è molto pratico. A metà del diciannovesimo secolo Charles Macintosh prese due strati di tessuto di cotone imbevuti in una gomma naturale, nota anche come poliisoprene.  In questo modo si ottengono pratici impermeabili perché mentre la gomma li rende idrorepellenti gli strati di cotone lo rendono comodo da indossare.

Negli anni 80, verso la metà, è stata introdotta la tecnologia dei materiali compositi in fibra di carbonio unidirezionale nella formula 1 con la Minardi M187. Fino a questo momento le tecnologie dei materiali compositi era utilizzata solo nel settore aeronautico, non automobilistico. Le fibre unidirezionali unite con i materiali compositi ottenuti dalla miscelazione di questi con resine ipossidiche danno come risultato un materiale leggero ma con alta resistenza.

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Le aramidi ( il cui nome deriva dalla concentrazione di “Ammidi Aromatiche”) sono un tipo di materiale composito che fanno parte della famiglia di nylons, compresi Nomex e Kevlar. Questo viene utilizzato per realizzare giubbotti antiproiettile o pneumatici per biciclette resistenti alle forature.  Nomer e Kevlar vengono usate per produtte indumenti ignifughi. Il primo è spesso utulizzato dai conducenti di dragster o trattori potenti o pompieri.

Sono molti i settori che utilizzano i materiali compositi:

1) Le industrie aeronautica, navale, automobilistica:  strutture alari, fusoliere, carrelli, barche, canoe, pannelli di carrozzeria, telai di formula 1, balestre, parti di motore ed accessori vari.

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2) Le industrie aerospaziale e bellica utilizzano questi materiali per componenti strutturali in stazioni di lancio e macchine semoventi nello spazio, oltre che per caschi e giubbotti antiproiettilidownload (2)

3)Nel settore dell’impiantistica, vengono impiegati per tubazioni e serbatoi.
4)Nel settore dell’industria elettronica per la fabbricazione di circuiti.

5) Nel settore dello sport questa viene utilizzata per sci, bob, racchette da tennis, biciclette, canne da pesca, aste per il salto in alto etc.

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6) In medicina si costruiscono protesi di ogni tipo.

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Fonti: http://www.materialicompositi.it/

http://www.dmfci.unict.it/siracusa/web1/materiale_didattico/c7.pdf

 

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