I Compositi : materiali “progettabili”

Articolo a cura di Luca Martulli

Ci sono voluti secoli perché l’umanità padroneggiasse l’arte della lavorazione del ferro, partendo da grezze lavorazioni in ferro battuto, giungendo all’apice della lavorazione dell’acciaio nella rivoluzione industriale. Negli inizi del ‘900, la scoperta di nuove leghe d’alluminio e nuovi trattamenti termici per questo metallo hanno permesso all’industria aeronautica di fiorire, permettendoci di compiere distanze impensabili in tempi brevissimi. Lo sviluppo scientifico-tecnologico dell’uomo, nel corso della storia, è sempre andato di pari passo con il continuo sviluppo di nuovi materiali. E proprio in quest’epoca stiamo assistendo a un’epocale rivoluzione nell’ingegneria dei materiali: lo sviluppo dei materiali compositi.

Descrizione del materiale

I compositi sono materiali in cui, a loro volta, è possibile distinguere due o più materiali (fasi) dalle diverse proprietà. Nel nostro caso, il nome inglese di Fibre Reinforced Plastic (FRP) indica alcune varietà di resine o matrici polimeriche rinforzate con fibre. Le fibre hanno funzione strutturale, mentre la matrice serve principalmente a tenere insieme le fibre stesse.

Vi sono tantissimi modi con cui questi materiali possono essere combinati, ma il principio di base è lo stesso; le fibre vengono bagnate dalla resina allo stato liquido, quindi il tutto viene solidificato con calore e/o pressione. Le fibre spesso sono tessute tra loro, e infatti l’industria delle FRP ha preso in prestito molto da quella tessile.

Caratteristiche del materiale

Le fibre posseggono eccezionali capacità meccaniche solo nella direzione longitudinale. Una lamina unidirezionale, con fibre allineate in un’unica direzione (fig. a), pur avendo un’enorme resistenza e rigidezza nella direzione del rinforzo, sarebbe estremamente debole nella direzione ad essa perpendicolare. In questa direzione, infatti, l’unico materiale efficace a sopportare carichi è la resina, strutturalmente debole e inefficace. Per questo, si impilano tante lamine unidirezionali per formare laminati resistenti in qualunque direzione di carico (fig. b). Alle volte le lamine sono costituiti da fibre tessute, così da avere rinforzi in più direzioni. Se in una struttura la direzione prevalente del carico è nota, è possibile aumentare il numero di fibre allineate con esso per irrobustirla. Questa capacità ha permesso per la prima volta di “progettare” anche il materiale, oltre che la struttura stessa.

Applicazioni

Sono state sviluppate numerose versioni di questi materiali. Alle volte, ad esempio, il rinforzo è costituito da fibre corte, che si distribuiscono nella matrice casualmente(vetroresina). Ancora, i freni a disco più prestazionali, sono fatti di fibre di carbonio in una matrice di grafite, altra forma del carbonio: compositi Carbon-Carbon.

L’utilizzo di questi materiali permette enormi risparmi di peso rispetto alle controparti metalliche, con pari, e a volte superiori, proprietà meccaniche. Nel 2011 la Boeing ha commercializzato il 787 Dreamliner, in cui fusoliera e ali sono realizzate in fibra di carbonio. Cinque anni dopo, Airbus, rilascia l’A350, con lo stesso impiego massiccio di materiali compositi. Nel novembre 2016 la SpaceX di Musk ha eseguito con successo una serie di test su un serbatoio per razzi fatto interamente in fibra di carbonio; trattasi di un’enorme sfera nera che lancia nuove sfide a questo materiale, sia per le dimensioni, sia per lo scopo.