Materiali compositi: cosa sono e perché sono importanti?

I materiali compositi costituiscono al giorno d’oggi un elemento imprescindibile se si vogliono raggiungere determinate performances in ambito automobilistico. Infatti, tali materiali, se correttamente progettati, uniscono eccezionali caratteristiche meccaniche ad un altrettanto eccezionale riduzione di peso della struttura.

Come intuibile dal nome stesso, questi materiali constano della combinazione di due o più componenti al fine di ottenere un terzo materiale avente caratteristiche uniche. Se ben progettati, questi materiali sono in grado di ereditare solo le migliori caratteristiche dai loro componenti e addirittura di maturarne delle nuove.

Macroscopicamente, possiamo distinguere quattro categorie di materiali compositi:

• Compositi fibrosi: ottenuti dall’unione di materiale di rinforzo in forma filamentosa ad una matrice (pneumatici, compositi a matrice polimerica)
• Compositi laminari: ottenuti dalla sovrapposizione di strati (layers) di materiali differenti (le lamine bimetallice delle apparecchiature antincendio)
• Compositi particellari: ottenuti dalla dispersione nella matrice di materiale di rinforzo in forma particellare (cemento)
• Combinazioni di due o più delle precedenti categorie (cemento armato)

Materiali compositi ‘Fiber-Reinforced’

Soffermiamo ora la nostra attenzione sui materiali compositi fibrosi che maggiormente trovano applicazione in ambito automobilistico. In genere nella loro struttura distinguiamo una parte continua, la matrice, che funge da supporto e da legante, ed una parte discontinua, le fibre, atta al rinforzo della prima. Da qui la dicitura Fiber-reinforced polymers (FRP).

Uno dei maggiori vantaggi dei materiali compositi è la possibilità di ‘personalizzare’ le caratteristiche del particolare che ci accingiamo a realizzare. Infatti, l’idea di base è quella di ottenere delle lamine ‘immergendo’ le fibre nella matrice polimerica. A seconda dell’orientamento e dello stato delle fibre, la lamina così realizzata presenterà caratteristiche meccaniche differenti.

Passiamo ora ad analizzare le proprietà dei singoli elementi e come esse entrano in gioco nel definire le caratteristiche del composito.

La matrice dei materiali compositi

La matrice polimerica e destinata, oltre che al trasferimento di carico tra le fibre, al loro sostegno, protezione e stabilita in caso di sollecitazioni di compressione, data la natura filamentosa delle fibre. La matrice di un materiale composito può essere di diversa natura:

• Matrice polimerica (termoindurente o termoplastica)
• Matrice metallica
• Matrice ceramica

La scelta dell’una o dell’altra tipologia dipende fortemente dalla specifica applicazione.

Le fibre definiscono il comportamento meccanico

Le fibre posseggono elevate caratteristiche di rigidezza e resistenza a trazione. In virtù della loro struttura filamentosa che le rende meno inclini alla presenza di difetti (dislocazioni). Di conseguenza, sono le fibre a definire globalmente il comportamento meccanico del composito. Prendiamo, ad esempio, una lamina unidirezionale; essa, pur avendo una resistenza elevatissima nella direzione delle fibre, risulterà particolarmente debole nella direzione ad esse ortogonali dove il contributo di resistenza e dato dalla sola matrice. Da qui la necessita di disporre le fibre in maniera tale da distribuire più uniformemente le proprietà all’interno del composito; a tal fine, o si intrecciano le fibre in due o più direzioni nella stessa lamina oppure si sovrappongono più lamine unidirezionali con diversa orientazione a formare un laminato.

Da qui, la seguente classificazione dei materiali compositi rispetto all’orientamento delle fibre:

• lamine unidirezionali: fibre continue disposte in un’unica direzione;
• feltri o MAT: fibre discontinue (whiskers) disposte in maniera disordinata su un piano;
• fibre tessute (fabric o woven) – intreccio trama e ordito secondo due o più direzioni;
• tessuti piani: sovrapposizione trama e ordito su due assi ortogonali tra loro;
• laminati: sovrapposizione di più lamine unidirezionali diversamente orientate.

Come per la matrice, anche le fibre possono essere di diversa natura ma quelle che risultano di maggior interesse sono la fibra di carbonio, la fibra di vetro (E-glass ed S-glass) e la fibra di kevlar (applicazioni aeronautiche, marine, balistiche). Nella seguente tabella sono riassunte le proprietà dei più comuni compositi a matrice polimerica epossidica:

Vantaggi e svantaggi dei materiali compositi

Dall’enorme fase di sviluppo che i materiali compositi stanno attraversando, sono chiari i vantaggi che tali materiali portano con se: elevata rigidezza e resistenza meccanica, maggiore resistenza alle sollecitazioni dinamiche, maggiore capacita di assorbimento dell’energia di crash, maggiore resistenza alla corrosione e alle aggressioni chimiche, per citarne alcune. Il tutto accompagnato da un risparmio di peso considerevole, stimabile intorno al 25 percento rispetto ad una generica lega leggera.

A questi eccezionali vantaggi pero, si affiancano degli svantaggi che limitano (per il momento) il loro utilizzo come componente strutturale ad applicazioni di ’nicchia’, che in ambito automotive si identifica nel mondo delle corse e delle super/hyper car. Primo fra tutti il costo di questi materiali, prevalentemente legato alla loro realizzazione e stimabile intorno a tre volte quello di una generica lega leggera. Inoltre si presentano problematiche legate al possibile invecchiamento della matrice, ad una spiccata inefficacia delle operazioni di riparazione (irreversibilità del danno), oltre che a grosse difficolta relative al loro riutilizzo e smaltimento.

A cura di Vito Saldutto