L’uso moderno dei materiali compositi nella produzione non è nuovo, abbraccia diversi decenni, risalendo fino ai primi anni ’60. E prima di allora, la combinazione di fibre con una matrice liquida è stata impiegata in una varietà di applicazioni, che vanno dal collaudato fango secco e paglia (mattoni di adobe) a un concept car sviluppato da Ford Motor Co. Ltd. (Detroit, Michigan, Stati Uniti) nel 1941 che presentava pannelli della carrozzeria fatti di compositi rinforzati con fibre naturali.
Nonostante ciò, rispetto a materiali tradizionali come l’acciaio, l’alluminio, il ferro e il titanio, i compositi stanno ancora facendo il loro tempo, e solo ora vengono meglio compresi dagli ingegneri di progettazione e produzione. Inoltre, i compositi sono ostacolati dalla loro natura non isotropa, che li rende difficili da modellare e simulare. Tuttavia, le proprietà fisiche dei compositi – combinate con l’imbattibile leggerezza – li rendono innegabilmente attraenti.
Per i novizi dei compositi, fortunatamente, c’è speranza, e sta nel fatto che questi materiali possono essere facilmente compresi e applicati. Quello che segue è un’introduzione alle fibre e alle resine tipicamente usate nella fabbricazione dei compositi.
Proprietà vincenti
Alta resistenza e basso peso rimangono la combinazione vincente che spinge i materiali compositi in nuove arene, ma altre proprietà sono altrettanto importanti. I materiali compositi offrono un buon smorzamento delle vibrazioni e un basso coefficiente di espansione termica (CTE), caratteristiche che possono essere progettate per applicazioni specializzate. I compositi sono resistenti alla fatica e forniscono una flessibilità di progettazione/fabbricazione che può ridurre significativamente il numero di parti necessarie per applicazioni specifiche – il che si traduce in un prodotto finito che richiede meno materie prime, meno giunti e dispositivi di fissaggio e tempi di assemblaggio più brevi. I compositi hanno anche una comprovata resistenza alle temperature estreme, alla corrosione e all’usura, specialmente in ambienti industriali, dove queste proprietà fanno molto per ridurre i costi del ciclo di vita del prodotto. Queste caratteristiche hanno spinto i compositi a un ampio utilizzo. La spinta per il risparmio di carburante e l’efficienza, per esempio, ha reso la leggerezza una priorità in quasi tutti i modi di trasporto meccanico, dalle biciclette ai grandi aerei commerciali.
Da quando la Boeing Co, USA) 787 Dreamliner – 50% di compositi in peso e 100% di compositi sulle sue superfici aerodinamiche – è entrato in produzione e, nel dicembre 2009, ha effettuato con successo il suo primo volo, i compositi hanno guadagnato la loro strada nelle strutture aerospaziali primarie e secondarie e hanno trovato un posto maggiore nell’interno degli aerei nel mondo aerospaziale. Da allora, il 787 è stato affiancato alla ribalta mondiale da altri velivoli ad alta intensità di compositi del suo rivale degli aerei da trasporto commerciale, Airbus (Tolosa, Francia) e altri. Il primo Airbus A350 XWB in composito al 52% è stato consegnato all’alba del 2015. E Airbus ha precedentemente incorporato i compositi nel suo jet passeggeri superjumbo A380 e nel suo aereo da trasporto militare A400M. I quattro programmi sono il compimento attuale di una trasformazione a lungo attesa che ha anche superato il mercato dei velivoli dell’aviazione generale ed è stato a lungo una parte della produzione di aerei militari. Disponibili in forme di materiali sempre più diversi, e fabbricabili da una vasta gamma di processi di stampaggio e formatura – hanno preso o sono pronti a prendere la luce dei riflettori nelle arene di produzione in tutto il mondo.
Un materiale definitivamente diverso
I compositi differiscono dai materiali tradizionali in quanto le parti composite comprendono due componenti distintamente diversi – fibre e un materiale matrice (più spesso, una resina polimerica) – che, quando vengono combinati, rimangono discreti ma funzionano in modo interattivo per creare un nuovo materiale, le cui proprietà non possono essere previste semplicemente sommando le proprietà dei suoi componenti. Infatti, uno dei maggiori vantaggi della combinazione fibra/resina è la sua natura complementare. Le fibre di vetro sottili, per esempio, mostrano una resistenza alla trazione relativamente alta, ma sono suscettibili di danni. Al contrario, la maggior parte delle resine polimeriche hanno una debole resistenza alla trazione ma sono estremamente dure e malleabili. Quando sono combinati, tuttavia, la fibra e la resina contrastano ciascuno la debolezza dell’altro, producendo un materiale molto più utile di ciascuno dei suoi singoli componenti.
Le proprietà strutturali dei materiali compositi derivano principalmente dal rinforzo in fibra. I compositi commerciali per i grandi mercati, come i componenti automobilistici, le imbarcazioni, i beni di consumo e le parti industriali resistenti alla corrosione, sono spesso realizzati con fibre di vetro discontinue, orientate in modo casuale, o con forme di fibre continue ma non orientate. I compositi avanzati, inizialmente sviluppati per il mercato aerospaziale militare, offrono prestazioni superiori a quelle dei metalli strutturali convenzionali e ora trovano applicazioni nei satelliti di comunicazione, negli aerei, negli articoli sportivi, nei trasporti, nell’industria pesante e nel settore energetico nella ricerca di petrolio e gas e nella costruzione di turbine eoliche.
I compositi ad alte prestazioni derivano le loro proprietà strutturali dal rinforzo continuo, orientato, in fibra ad alta resistenza – più comunemente carbonio, aramide o vetro – in una matrice che promuove la processabilità e migliora le proprietà meccaniche, come la rigidità e la resistenza chimica.
L’orientamento delle fibre può essere controllato, un fattore che può migliorare le prestazioni in qualsiasi applicazione. Negli shaft delle mazze da golf in composito, per esempio, le fibre di boro e di carbonio orientate ad angoli diversi all’interno dello shaft in composito permettono di sfruttare al meglio le loro proprietà di forza e rigidità e di sopportare carichi di coppia e forze multiple di flessione, compressione e trazione.
Una matrice può essere polimerica, ceramica o metallica. Le matrici polimeriche più ampiamente utilizzate per i compositi in applicazioni commerciali e aerospaziali ad alte prestazioni sono resine termoindurenti, costituite da catene polimeriche che vengono permanentemente polimerizzate in una rete reticolata quando vengono mescolate con un catalizzatore, esposte al calore o entrambi. La polimerizzazione avviene solitamente in condizioni di temperatura e/o pressione elevate in un forno e/o in un sacco a vuoto o in un’autoclave. Le tecnologie di polimerizzazione alternative, ma meno utilizzate, includono il fascio di elettroni, la radiazione ultravioletta (UV), i raggi X e i processi a microonde.
L’altro tipo di matrice più comunemente usato è la resina termoplastica (TP), che si sta dimostrando un’opzione sempre più popolare per i produttori di compositi. Le catene polimeriche lineari termoplastiche si formano e possono essere riformate in solidi sagomati fondendo o ammorbidendo e poi raffreddando il materiale. Spesso venduti in forma di fogli o pannelli, i termoplastici possono essere lavorati con tecniche di consolidamento in situ, come la semplice formatura a pressa per realizzare parti resistenti e di forma quasi netta senza la cura in autoclave o in sacchi a vuoto richiesta dai termoindurenti. La riformabilità dei TP offre il potenziale per correggere le anomalie o riparare i danni in servizio.
Fibre di vetro
La grande maggioranza di tutte le fibre usate nell’industria dei compositi sono di vetro. Le fibre di vetro sono il rinforzo più antico e più comune utilizzato nella maggior parte delle applicazioni del mercato finale (l’industria aerospaziale è una significativa eccezione) per sostituire le parti metalliche più pesanti. La fibra di vetro pesa più del secondo rinforzo più comune, la fibra di carbonio, e non è così rigida, ma è più resistente agli urti e ha un maggiore allungamento alla rottura (cioè, si allunga in misura maggiore prima di rompersi). A seconda del tipo di vetro, del diametro del filamento, della chimica del rivestimento (chiamato “dimensionamento”) e della forma della fibra, è possibile ottenere un’ampia gamma di proprietà e livelli di prestazioni. Un trefolo è un insieme di filamenti di vetro continui. Lo stoppino si riferisce generalmente a un fascio di filamenti non intrecciati, confezionati, come il filo, su una grande bobina. Lo stoppino singolo consiste in fili costituiti da filamenti di vetro continui e multipli che corrono per tutta la lunghezza del filo. Lo stoppino multiplo contiene fili lunghi ma non del tutto continui, che vengono aggiunti o lasciati cadere in modo sfalsato durante il processo di avvolgimento. Il filato è un insieme di fili che sono attorcigliati insieme.
Fibre ad alte prestazioni
Le fibre ad alte prestazioni usate nei compositi avanzati includono la fibra di carbonio, la fibra aramidica (conosciuta con i nomi commerciali Kevlar e Twaron), le fibre di boro, il polietilene ad alto modulo (PE), fibre più recenti come il poli p-fenilene-2,6-benzobisoxazolo (PBO), e anche combinazioni ibride. Il kevlar è un prodotto della DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, USA). Le fibre di Twaron sono prodotte da Teijin (Arnhem, Paesi Bassi).
La fibra di carbonio – di gran lunga la fibra più utilizzata nelle applicazioni ad alte prestazioni – è prodotta da una varietà di precursori, tra cui poliacrilonitrile (PAN), rayon e pitch. Le fibre precursori sono trattate chimicamente, riscaldate e stirate, quindi carbonizzate, per creare le fibre ad alta resistenza. Le prime fibre di carbonio ad alte prestazioni sul mercato erano fatte con precursori di rayon. Oggi, le fibre a base di PAN e pitch hanno sostituito la fibra a base di rayon nella maggior parte delle applicazioni. Le fibre di carbonio a base di PAN sono le più versatili e ampiamente utilizzate. Offrono un’incredibile gamma di proprietà, tra cui un’eccellente resistenza – fino a 1.000 ksi – e un’elevata rigidità. Le fibre di pece, fatte di pece di petrolio o di catrame di carbone, hanno una rigidità da elevata a estremamente elevata e un coefficiente di espansione termica assiale (CTE) da basso a negativo. Le loro proprietà CTE sono particolarmente utili nelle applicazioni dei veicoli spaziali che richiedono la gestione termica, come gli alloggiamenti degli strumenti elettronici. Le proprietà della fibra di carbonio stanno stimolando la ricerca di materiali precursori alternativi e meno costosi, come la lignina, che deriva dagli scarti della cellulosa e della carta. Mentre gli sforzi di ricerca stanno guadagnando trazione, questi materiali di fibra a basso costo hanno ancora molta strada da fare per diventare scelte di rinforzo commerciale praticabili.
Anche se sono più forti delle fibre di vetro o aramidiche, le fibre di carbonio non solo sono meno resistenti agli urti ma possono anche subire la corrosione galvanica a contatto con il metallo. I fabbricanti superano quest’ultimo problema usando un materiale barriera o uno strato di velo – spesso fibra di vetro/epoxy – durante la stratificazione del laminato.
La forma base della fibra di carbonio ad alte prestazioni è costituita da fasci di fibre continue chiamate tows. Un tow di fibra di carbonio consiste di migliaia di filamenti continui, non attorcigliati, con il numero di filamenti designato da un numero seguito da “K”, che indica la moltiplicazione per 1.000 (ad esempio, 12K indica un numero di filamenti di 12.000). I filamenti possono essere usati direttamente, in processi come l’avvolgimento di filamenti o la pultrusione, o possono essere convertiti in nastro unidirezionale, tessuto e altre forme di rinforzo.
Le fibre aramidiche, formate da poliammide aromatica, forniscono un’eccezionale resistenza agli urti e un buon allungamento (superiore al carbonio, ma inferiore al vetro). La fibra aramidica standard ad alte prestazioni ha un modulo di circa 20 Msi, una resistenza alla trazione di circa 500 ksi e un allungamento di quasi il 3%. Rinomata per le sue prestazioni nei giubbotti antiproiettile e altre armature e applicazioni balistiche, la fibra aramidica è stata richiesta in parte, a causa della necessità di protezione del personale e armature nei mercati delle forze dell’ordine e militari. Le proprietà dell’aramide rendono anche la fibra una scelta eccellente per le pale dei rotori degli elicotteri, gli scafi delle navi marine e gli articoli sportivi dove è desiderata la resistenza all’impatto.
Le fibre di boro sono cinque volte più forti e due volte più rigide dell’acciaio. Il boro fornisce forza, rigidità e leggerezza, e possiede eccellenti proprietà di compressione e resistenza alla deformazione. Gli usi dei compositi di boro vanno dagli articoli sportivi, come le canne da pesca, gli alberi delle mazze da golf, gli sci e i telai delle biciclette, alle applicazioni aerospaziali, come le pelli delle antenne degli aerei, i membri delle capriate e le toppe prefabbricate per le riparazioni degli aerei.
L’alto costo delle fibre ad alte prestazioni può essere un deterrente alla loro scelta, se i produttori trascurano di esaminare come questo alto costo sia mitigato da maggiori prestazioni, durata e libertà di progettazione che questi materiali portano a un progetto e i conseguenti effetti positivi che questi vantaggi hanno su una metrica chiave: il costo del ciclo di vita. Questo è particolarmente vero per la fibra di carbonio, la cui selezione è stata storicamente complicata da fluttuazioni significative nell’offerta e nella domanda di fibra di carbonio.
Resine termoindurenti
I polimeri più usati nei compositi sono i termoindurenti, una classe di resine plastiche che, quando vengono curate con mezzi termici e/o chimici (catalizzatore o promotore) o altro, diventano sostanzialmente infusibili e insolubili. Dopo la polimerizzazione, un termoindurente non può essere riportato al suo stato non polimerizzato. Anche se quasi tutti i termoindurenti in uso commerciale oggi sono derivati da materie prime petrolifere, la R&D e la commercializzazione sono in corso nel campo crescente delle bio-resine. Sviluppate principalmente nel tentativo di usare materie prime agricole rinnovabili, le bio-resine comprendono, in proporzioni variabili, poliolo (dalla soia) ed etanolo (dal mais).
Le resine poliestere insature sono i termoindurenti più usati nelle applicazioni commerciali di produzione di massa, grazie alla loro facilità di manipolazione, al buon equilibrio di proprietà meccaniche, elettriche e chimiche, e al costo relativamente basso. (Tipicamente accoppiati con rinforzi in fibra di vetro, i poliesteri si adattano bene a una serie di processi di fabbricazione e sono più comunemente usati in sprayup open-mold, stampaggio a compressione, resin transfer molding (RTM) e casting. Le proprietà delle formulazioni di poliestere possono essere modificate per soddisfare specifici criteri di prestazione, in base alla selezione di elementi glicolici e acidi e di monomeri reattivi (più comunemente, stirene). Lo stirene viene aggiunto in quantità fino al 50% per ridurre la viscosità, rendendo la resina più facile da maneggiare e lavorare.
Le resine vinilestere offrono un ponte tra i poliesteri a basso costo, ad indurimento rapido e di facile lavorazione e le resine epossidiche a prestazioni superiori (descritte di seguito). La loro struttura molecolare è molto simile a quella del poliestere, ma hanno siti reattivi solo alle estremità delle catene molecolari e hanno meno gruppi esteri. Poiché i gruppi esteri sono suscettibili all’idrolisi, averne meno aumenta la resistenza degli esteri di vinile all’acqua e agli ambienti chimicamente corrosivi, il che spiega, in parte, il loro prezzo più alto. Gli esteri di vinile sono favoriti nei serbatoi chimici e in altre applicazioni per le quali la resistenza alla corrosione è un obiettivo chiave, e aggiungono anche valore ai laminati strutturali che richiedono un alto grado di resistenza all’umidità (come gli scafi e i ponti delle barche). Vengono lavorati e curati in modo simile ai poliesteri, con il potenziale di offrire una migliore tenacità, anche se questo di solito richiede una temperatura elevata dopo l’indurimento.
Per le matrici composite avanzate, i termoindurenti più comuni sono epossidici, fenolici, esteri cianati (CE), bismaleimidi (BMI), benzoxazine e poliimmidi.
Le resine epossidiche apportano forza, durata e resistenza chimica a un composito. Offrono alte prestazioni a temperature elevate, con temperature di servizio caldo/bagnato fino a 121°C. Le resine epossidiche sono disponibili in forma liquida, solida e semisolida e in genere si induriscono per reazione con ammine o anidridi. Le resine epossidiche non vengono polimerizzate con un catalizzatore, come le resine poliestere, ma utilizzano invece un indurente (chiamato anche agente indurente). L’indurente (parte B) e la resina di base (parte A) co-reagiscono in una “reazione di addizione”, secondo un rapporto fisso. Quindi, è fondamentale usare il corretto rapporto di miscelazione tra resina e indurente per assicurare una reazione completa. Altrimenti, la resina non polimerizzerà completamente né raggiungerà le sue piene proprietà. Le resine epossidiche indurite – con l’aggiunta di termoplastiche e composti di gomma reattiva per contrastare la fragilità dovuta all’alto grado di reticolazione – sono diventate la norma nelle cellule composite ad alta percentuale, come il 787 Dreamliner di The Boeing Co. e l’Airbus A350 XWB.
Le resine fenoliche si basano su una combinazione di un alcool aromatico e un’aldeide, come il fenolo, combinati con la formaldeide. Trovano applicazione nei pannelli interni degli aerei resistenti alla fiamma e nei mercati commerciali che richiedono prodotti a basso costo, resistenti alla fiamma e a basso fumo. L’eccellente resa del carbone e le caratteristiche ablative (che assorbono il calore) hanno reso i fenolici favoriti da molto tempo per le applicazioni ablative e per gli ugelli dei razzi. Hanno anche dimostrato di avere successo in applicazioni non aerospaziali, in particolare in componenti per piattaforme petrolifere e di gas offshore, e in applicazioni di trasporto di massa e di elettronica. Tuttavia, i fenolici polimerizzano per mezzo di una reazione di condensazione, che causa il rilascio di vapore acqueo e formaldeide durante la polimerizzazione. Questo fenomeno può produrre dei vuoti nel composito. Di conseguenza, le proprietà meccaniche dei fenolici sono un po’ inferiori a quelle delle epossidiche e della maggior parte delle altre resine ad alte prestazioni.
Gli esteri di cianato (CE) sono matrici versatili che forniscono eccellente forza e tenacità, consentono un assorbimento di umidità molto basso e possiedono proprietà elettriche superiori rispetto ad altre matrici polimeriche, sebbene questi benefici abbiano un costo più elevato. I CE sono caratterizzati da temperature di servizio a caldo/bagnato fino a 149°C e sono solitamente induriti con termoplastiche o particelle sferiche di gomma. Lavorano in modo simile alle resine epossidiche, ma il loro processo di indurimento è più semplice, grazie al profilo di viscosità del CE e ai volatili nominali. Le applicazioni attuali vanno dai radomi, antenne, missili e ablativi alla microelettronica e ai prodotti a microonde.
Tra le resine più esotiche, le bismaleimidi e le poliimmidi (parenti stretti, chimicamente) sono usate in applicazioni ad alta temperatura su aerei e missili (ad esempio, per i componenti della gondola del motore a reazione). Le BMI offrono temperature di servizio caldo/bagnato (fino a 232°C), mentre alcune poliimmidi possono essere usate fino a 371°C per brevi periodi di tempo. I volatili e l’umidità emessi durante la polimerizzazione rendono le poliimmidi più difficili da lavorare rispetto alle epossidiche o alle CE; sono state sviluppate tecniche speciali di formulazione e lavorazione per ridurre o eliminare i vuoti e la delaminazione. Sia le BMI che le poliimmidi hanno tradizionalmente mostrato un maggiore assorbimento di umidità e valori di tenacità più bassi rispetto alle CE e alle epossidiche, ma negli ultimi anni sono stati fatti progressi significativi per creare formulazioni più dure, e le BMI sono ora propagandate come aventi una migliore resistenza all’ingressione dei fluidi rispetto alle epossidiche. L’aumento dell’uso di BMI è guidato non solo dalle attrezzature e dalle applicazioni in cui le temperature di servizio superano i 177°C, ma anche dal crescente uso di compositi in strutture che necessitano di migliori prestazioni di compressione a caldo/bagnato e a foro aperto (OHC) a temperature moderate, ad esempio da 80°C a 120°C. Questa è la ragione dietro a gran parte del suo uso sul jet da combattimento F-35 Lightning II, consentendo strutture tolleranti ai danni con una massa inferiore rispetto all’epossidica.
Resine termoplastiche
Al contrario dei termoindurenti reticolanti, la cui reazione di polimerizzazione non può essere invertita, i termoplastici induriscono quando vengono raffreddati ma mantengono la loro plasticità; cioè, si rifondono e possono essere rimodellati riscaldandoli sopra la loro temperatura di lavorazione. Le matrici termoplastiche meno costose offrono temperature di lavorazione più basse, ma hanno anche temperature di utilizzo limitate. Attingono dal menu delle plastiche ingegnerizzate e di base, come il polietilene (PE), il polietilene tereftalato (PET), il polibutilene tereftalato (PBT), il policarbonato (PC), l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS), la poliammide (PA o nylon) e il polipropilene (PP). I prodotti commerciali ad alto volume, come le calzature sportive, le ortesi e le protesi mediche, beneficiano della durezza e della resistenza all’umidità di queste resine, così come i collettori di aspirazione dell’aria delle automobili e altre parti del sottoscocca.
Le resine termoplastiche ad alte prestazioni – polietereterchetone (PEEK), polieterchetone (PEK), poliammide-immide (PAI), poliarilsulfone (PAS), polieterimmide (PEI), polietersulfone (PES), solfuro di polifenilene (PPS) e polimero a cristalli liquidi (LCP) – funzionano bene in ambienti ad alta temperatura e, una volta indurite, non assorbono acqua né si degradano se esposte all’umidità. Rinforzate con fibre ad alte prestazioni, queste resine mostrano una lunga durata di conservazione dei prepreg senza refrigerazione e possiedono un’eccezionale resistenza all’impatto e proprietà di smorzamento delle vibrazioni. Offrono anche l’opportunità di utilizzare contenuti riciclati e di facilitare il riciclaggio di rifiuti e strutture a fine vita. I compositi termoplastici rinforzati che utilizzano resine ad alte prestazioni come matrici stanno facendo breccia nelle applicazioni aerospaziali.
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