Lezioni, Costruzioni aeronautiche

Materiali Compositi

Definizione e Caratteristiche Generali

In un’accezione generale, il parola “composto” vuol dire “costituito da due o più parti differenti”. In pratica, il termine “materiale composito” o “composto” è usato in un senso più restrittivo, come materiale costituito dall'assemblaggio di due o più materiali di natura differente, su scala macroscopica, al fine di creare un terzo materiale che esibisca certe caratteristiche. Importante è il fatto che, a occhio nudo, le compnenti del materiale sono ben distinguibili. Diversi materiali possono essere combinati su scala microscopica (p. es. le leghe di metalli), ma il materiale che ne risulta è, ai fini pratici, macroscopicamente omogeneo, il che sue componenti possono essere distinte a occhio nudo, e funzionare essenzialmente in maniera solidale. Il vantaggio dei materiali “compositi” è che, in pratica, essibiscono proprietà migliori di quelle dei loro costituenti e spesso anche delle proprietà che i costituenti neanche possiedono.

Alcune proprietà che possono essere migliorate, realizzando un materiale composito, sono:

• Resistenza
• Rigidità
• Resistenza alla corrosione
• Peso
• Vita a fatica
• Comportamento dipendente dalla temperatura
• Isolamento termico
• Condutibilità termica
• Isolamento acustico
• Resistenza al logoramento
• Altriativa

Ovviamente, non tutte queste proprietà vengono migliorate contemporaneamente. né c’è bisogno che così venga fatto. Infatti, alcune caratteristiche fra quella elencate confliggano fra loro i 'obiettivo è solo creare un materiale con le matte' schere necesasrie per realizzare una certa missione. La storia dell'utilizzo dei materiali “compositi” ha lontane radici; l’inizio è sconosciuto, ma vi sono rinvenimenti a qualche forma di materiale composito in più testimonianze storiche.

Nel caso più generale, un materiale composito è costituito da una o più fasi discontinue, distribuite in una fase continua. Nel caso di molte fasi discontinue di diversa natura, il materiale composito è detto COMPOSTO IBRIDO.

La fase discontinua è solitamente più dura, e con proprietà meccaniche migliori rispetto alla fase continua. La fase continua è chiamata MATRICE, quella discontinua FILLER.

Un’eccezione a tale descrizione è costituita dai materiali polimerici modificati con elastomeri in cui una matrice polimerica rigida è riempita con particelle di elastomero. Per questo tipo di composito, le proprietà meccaniche statiche del polimero iniziale (modulo di Young, resistenza, ecc.) non vengono modificate considerevolmente, mentre le proprietà di resistenza agli urti sono apprezzabilmente migliorate.

Le proprietà di un materiale composito dipendono da:

• proprietà dei materiali costituenti
• distribuzione geometrica dei componenti
• interazione

Per cui, per la caratterizzazione di un materiale composito, sarà necessario considerare:

• la natura dei materiali costituenti e le loro proprietà
• la geometria e la ripartizione del filler
• la natura dell’interfaccia tra filler e matrice

La geometria del filler sarà descritta dalla sua forma, dalle sue dimensioni, dalla concentrazione, dalla sua orientazione, ecc. La concentrazione del filler viene misurata dalla frazione in peso o in volume di esso; la frazione volumetrica del filler è un parametro determinante per le proprietà meccaniche di un materiale composito.

direzioni principali, la

deformazione può essere

maggiore o minore di quella

di un materiale isotropo

caricato allo stesso modo, i

loro lo stesso modulo elastico

nella direzione del carico, per cui essi sono deducibili

moduli di Poisson e assuali

i moduli di Poisson escauli

possono dedursi coppie di

di due direzioni principali;

l’applicazione di un carico

nel foglio causa una deformazione del foglio, la cui

intensità è completamente

indipendente dai vari moduli

di Young e Poisson (cioè

indipende delle proprietà del materiale). Perciò, sono necessarie almeno 5 proprietà

per descrivere il comportamento meccanico di un materiale anfotropo

Vantaggi Offerti Dai Materiali Composti Fibrosi

L'aggettivo “avanzati” nell'espressione “composti fibrosi avanzati” è usata per distinguere i materiali compositi costituiti da fibre con elevatissima resistenza e rigidezza (graffite, ecc...) da altre più comuni ma meno performanti fibre come il vetro. Tali materiali compositi avanzati hanno due fondamentali vantaggi tra gli altri: maggiore resistenza e rigidezza, soprattutto se confrontati con altri materiali a parità di peso.

Per esempio, i compositi possono essere realizzati in modo da avere la stessa resistenza e la stessa rigidezza di un acciaio ad alta resistenza ma sono il 70% più leggeri. Altri compositi avanzati sono più resistenti dell'alluminio, anche se pesano il 60% di meno.

Per di più, come già detto, i compositi possono essere adattati per ottenere le ricche steifiche in termini di resistenza, rigidezza ed altri parametri, in vane

direzioni.

Questi vantaggi conducono a nuovi velivoli, e veicoli spaziali, che sono radicalmente differente degli sfora fatti nel passato, basati sui meteriali convenzionali. Tuttavia, l'industria aerospaziale era stata attirata dall'uso del tartang, negli anni '50, per ragioni simil ma trovò grandi svantaggi dopo alcuni movimenti in ricerca, sviluppo, e realizzazione. Questo l'esperienza ha determinato un maggiore cautela, anche nel approccio più completo e bilanciato, nello sviluppo dei nuovi materiali compositi.

Laminati

Da questo momento in poi si concentrerà l’attenzione sui compositi laminati, le cui fibre sono lunghe e continue. I concetti sviluppati nel seguito sono applicabili perlopiù a compositi laminati fibrosi, ma sono validi anche per altri compositi laminati, ovviamente con delle modifiche.

Di solito, la realizzazione di strutture di materiale composito è effettuata tramite il processo di formatura, in cui le strutture sono formate per strati, costituiti da una matrice, ed un rinforzo. Questa tecnica, generalmente denominata laminazione, porta a foggiare materiali compositi laminati, o laminae. Poi, i laminati possono essere associati a materiali leggeri, per ottenere quei materiali sandwich.

Una caratteristica generale delle strutture composite è che esse possano essere progettate nella forma di piastre e gusci; questo fatto giustifica l’importanza che riveste lo studio dei materiali compositi nella forma di piastre o uno o più stati differenti. Inoltre i gusci possono essere modellati come insiemi di piastre, e quindi il loro studio deriva dall’analisi delle piastre.

Lamina

Il costituente principale di un laminato è una lamina (anche chiamata ply), che è una disposizione di fibre unidirezionali o di tessuto, piatta o curva (come in un guscio).

In un laminato, le fibre sono il principale elemento rinforzante e capace di assorbire carico, ed esse sono tipicamente resistenti e rigide. La matrice può essere organica, metallica ceramica, o a base di carbonio; la sua funzione è di sostenere e proteggere le fibre, e fornire un mezzo per la distribuzione.

Laminati Ibridi

I laminati ibridi sono costituiti da strati di fibre di natura differente: vetro, fibre di carbonio, Kevlar, ecc... Sarà necessario indicare la natura delle fibre nella designazione del laminato ibrido.

La scelta della sequenza di laminazione dipenderà dell'uso del materiale composito, adattando il materiale alla condizione di carico considerata. Per esempio:

• l'amine unidirezionali hanno buone proprietà meccaniche nella direzione delle fibre
• le matasse inserite come rinforzo fanno bassa resistenza a trazione e buona resistenza a compressione
• un laminato cross-ply è sensibile alla delaminazione interlaminare
• una laminazione con almeno 3 direzioni delle fibre (0°, 90° e 45°) è il minimo necessario; se è necessario avere quasi isotropia nel piano del laminato

Inoltre, un'importante osservazione risiede nel fatto che una laminazione simmetrica scongiura la possibilità di warping del laminato, dopo la depolimerizzazione.

Per esempio, per una trave o una piastra soggetta a flessione, le lamine unidirezionali possono essere poste nella zona in tensione, e le lamine di matassa nella zona in compressione.

I laminati ibridi permettono di ottenere proprietà ottime, usando le differenti proprietà delle fibre di vetro, carbonio, o Kevlar.