Materiali Compositi

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Articolo pubblicato sulla rivista SoloVela
dotti in serie - adottano sistemi costruttivi di ultima generazione.
La grande novità costruttiva è stata l’introduzione
del composito avanzato (aggiunta di un elemento
neutro tra due pelli di laminato e quindi chiamato
a “sandwich”), al posto del composito semplice (o
fibra piena), che ha permesso di ottenere imbarcazioni più rigide e leggere, con evidenti benefici sia
nella navigazione che nella durata.
La tecnologia del composito ha permesso non solo
di migliorare costantemente la qualità del prodotto ma ha anche - grazie alla possibilità di meccanizzare i procedimenti costruttivi e quindi velocizzare la realizzazione del manufatto - di abbassare i
costi di realizzazione, portando così il prodotto finito alla portata di un più vasto pubblico.
Ci sono ovviamente diversi tipi di costruzione che
utilizzano i materiali compositi e, prima di cominciare a esaminare più nel dettaglio i materiali, cerchiamo di fare una veloce panoramica sui diversi
tipi di compositi in relazione alle caratteristiche richieste per le imbarcazioni.
Il composito
e i suoi materiali
I PRIMI PASSI
L’unione
falaforza
L’accoppiamento di due o più
materiali crea una sinergia
delle doti meccaniche di ogni
singolo elemento. Su questo
principio si basano i prodotti
compositi. Vediamo che cosa
sono e come funzionano
di Mauro Uggè
egli ultimi decenni l’utilizzo della vetroresina è entrato,
ogni giorno di più, nella vita quotidiana e questa “popolarità” ha permesso a ricercatori e produttori di sviluppare tecnologie e materiali sempre più versatili e d’avanguardia. Anche la nautica ha vissuto questa evoluzione tecnologica e le costruzioni degli scafi di oggi - anche quelli pro-
N
Come già detto, il primo gradino del composito è
l’unione di resina e fibra (fibra piena) con cui vengono attualmente realizzati la quasi totalità degli
scafi delle imbarcazioni di serie. Il primo gradino
Il corretto dosaggio della resina
del composito avanzato lo troviamo, sempre nella resta uno degli aspetti
serie, con la realizzazione di laminati a “sandwich” più delicati della costituzione
prevalentemente per la costruzione di coperte. La di un composito
struttura a “sandwich” possiede caratteristiche meccaniche di gran lunga superiore al composito semplice e quin- vertire i singoli materiali in strutture finite.
di ben si addice alla realizzazione non solo delle coperte ma I materiali compositi sono formati da due o più elementi che,
anche delle strutture principali. Se si vuole passare dalla pro- una volta insieme, sviluppano caratteristiche diverse da quelle
duzione di serie alla realizzazione di one-off - o comunque pro- che produrrebbero i due elementi individualmente. In pratica i
dotti dalle elevate performance - ecco che il composito avan- materiali compositi consistono di una matrice (materiale prinzato entra prepotentemente nelle priorità costruttive. L’utilizzo cipale) e un rinforzo, che viene aggiunto per incrementare la
di fibre aramidiche (Kevlar) o di carbonio in aggiunta a resine resistenza e la solidità della matrice. Il rinforzo è usualmente
a elevate caratteristiche (come la epossidica) e ad anime ul- in forma di fibra. Oggi i materiali compositi più comuni postraleggere (come il Nomex), permettono di realizzare imbarca- sono essere raggruppati in tre categorie diverse:
zioni dalle caratteristiche meccanico/costruttive senza eguali A) Matrice polimerica (PMC): sono i compositi più comuni e so(es.: il composito per una barca a vela di 60 piedi pesa circa no anche conosciuti come FRP (fibra di rinforzo polimerica).
1200 kg, completo di strutture).
Questi materiali impiegano una resina polimerica come matrice e come rinforzo usano diverse fibre quali la fibra di vetro,
la fibra aramidica (Kevlar) e la fibra di carbonio. Questi comQUANTI COMPOSITI
Per meglio comprendere l’uso dei materiali compositi è neces- positi sono quelli utilizzati nelle costruzioni nautiche.
sario sapere come questi vengono realizzati, alle caratteristi- B) Matrice metallica (MMC): dove la matrice è un metallo e il
che dei materiali utilizzati e alle tecniche più comuni per con- rinforzo è composto da fibre quali il carburo di silicio. Ottobre 2003
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Il grafico mostra le opposte doti meccaniche
delle fibre e delle resine e, una volta unite,
quelle medie di un composito semplice.
Tre tipi di “stuoie” (sopra); da sinistra:
fibra di vetro, fibra di carbonio e fibra di Kevlar
In generale le proprietà dei materiali compositi sono determinate da quattro fondamentali regole:
1) le proprietà delle fibre;
2) le proprietà delle resine;
3) il rapporto fibra/resina (fvf);
4) il senso di disposizione (orientamento) delle fibre.
LE FIBRE
Solo con l’uso
dei compositi avanzati
si son potuti realizzare
scafi di grandi dimensioni,
riducendo di molto
il peso e, al contempo,
aumentando la rigidezza
Il ruolo delle fibre in un materiale composito è fondamentale
per l’aumento delle caratteristiche meccaniche del materiale
finito. Tutte le differenti fibre usate nel composito hanno differenti proprietà e queste incidono e modificano le proprietà
del composito in modi diversi.
LE RESINE
Questi compositi sono utilizzati prevalentemente nell’industria
automobilistica.
C) Matrice in ceramica (CMC): utilizzano la ceramica come matrice e come rinforzo fibre corte o a setola, tipo quelle derivate dal carburo di silicio o dal nitrato di boro.
SEMPLICEMENTE, DEI COMPROMESSI
Approfondiamo la struttura dei materiali compositi a matrice
polimerica che sono quelli utilizzati dalla cantieristica mondiale per realizzare scafi, coperte e strutture di imbarcazioni
sia a motore che a vela.
Le resine, lavorate e utilizzate singolarmente (senza essere accoppiate a nessun altro materiale) sono di uso esiguo nelle
fabbricazioni di strutture, per via delle limitate caratteristiche
meccaniche. Mantengono comunque alcune doti vantaggiose
come la capacità di adattarsi facilmente a forme complesse.
Materiali come il vetro, l’aramide e il carbonio hanno un’alta resistenza alla trazione e alla compressione, ma in “forma solida”
queste proprietà non sono poi così scontate. Questo è dovuto
al fatto che, in condizioni di stress, difetti di superficie porta52 Ottobre 2003
no all’incrinatura e alla rottura molto al di sotto del “punto di
rottura” teorico. Per ovviare a questo problema il materiale viene fabbricato in forma di fibra in modo che, pur possedendo un
certo numero di difetti, questi saranno circoscritti solo a un
numero limitato di fibre, mantenendo così valida la resistenza
teorica del materiale. Per cui, un fascio di fibre è l’ideale per la
migliore performance del materiale. C’è da ricordare però che le
fibre da sole sono resistenti alla trazione solamente nel senso
della lunghezza come, per esempio, nelle fibre di una cima.
Combinando le resine con le fibre di rinforzo in vetro, carbonio
e aramidiche, si ottengono le migliori prestazioni del materiale. La matrice (resina) distribuisce il carico applicato al materiale (fibra) a ognuna delle fibre; protegge quest’ultime dai
danni causati dall’abrasione e dall’impatto d’urto.
L’alta resistenza e solidità, la facilità nel plasmarsi in forme
complesse, la bassa densità e la resistenza all’ambiente, fanno
si che - in molte applicazioni - i materiali compositi ottenuti
siano superiori ai metalli. In definitiva, il sistema PMC combina le resine con le fibre: le qualità dei prodotti ottenuti sono
il risultato della fusione delle proprietà dei singoli elementi.
Per quanto riguarda le resine utilizzate nella fabbricazione di materiali compositi, tutte devono avere alcune basilari specifiche:
buone caratteristice meccaniche; alto livello di adesione; durezza
e resistenza al degrado ambientale. Questo tipo di resine sono
principalmente di tre tipi: poliestere, vinilestere ed epossidica.
La poliestere è di gran lunga la più utilizzata nella lavorazione del
composito e in particolar modo nell’industria nautica. La maggior
parte di imbarcazioni - dalle piccole derive ai grandi yacht - sono realizzate con queste rerine.
La vinilestere è simile alla poliestere ma, grazie alla sua differente
struttura molecolare, risulta essere molto più resistente all’urto e
quindi più resistente. Un’altra caratteristica della vinilestere è la
maggior resistenza all’acqua e agli agenti chimici, tanto che viene
molto spesso utilizzata per la realizzazione di tubazioni e serbatoi.
La resina epossidica rappresenta - al momento - il massimo quanto a caratteristiche tecnico/meccaniche, di gran lunga superiore
alle altre resine sopradescritte, in termini di migliori caratteristiche meccaniche e resistenza agli agenti ambientali, da essere comunemente utilizzata in applicazioni aereospaziali. Come resina da
laminazione, aumentando le proprietà adesive e la resistenza al
degrado dovuto all’acqua, si rivela ideale per la costruzione nautica. In questo settore la resina epossidica è normalmente usata nella costruzione di imbarcazioni hi-tech, ad alte prestazioni. RESINA POLIESTERE
RESINA VINILESTERE
RESINA EPOSSIDICA
VANTAGGI
Facile utilizzo
Basso costo
Facile reperibilità
Alta resistenza chimica e
ambientale
Proprietà meccaniche più
elevate della poliestere
Altissime proprietà meccaniche e termiche
Alta resistenza all’acqua
Maggior tempo di lavorazione
Resistenza a temperature fino a 220°
Bassa deformazione in essicazione
SVANTAGGI
Caratteristiche meccaniche
moderate
Alte emissioni chimiche
durante la lavorazione
Alta deformazione durante il
processo di essiccazione
Tempo di lavorazione limitato
Postcottura necessaria per
elevare le proprietà
Alto contenuto stirene
Maggior costo rispetto alla
poliestere
Alta deformazione durante
il processo di essiccazione
Alto costo
Difficoltà di lavorazione
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LA FIBRA DI CARBONIO
di Stefania Pilan
L’invenzione della fibra di
carbonio ha davvero
rivoluzionato la tecnologia, a
partire dal settore
aerospaziale, dell’automobile,
del motociclismo e nautico,
fino alla stessa edilizia delle
grandi costruzioni. Con la
fibra di carbonio, insieme alla
fibra di vetro, nasce l’era dei Materiali Compositi.
Ma che cos’è la fibra di carbonio? Come si produce?
Fibra di carbonio.. come la grafite e come il diamante:
utile e preziosa
niche industriali (poliacrilonitrile, PAN) o da residui di distillazione
del petrolio o del catrame: la prima è chiamata in gergo CarbonioPAN, l’altra, Carbonio da Pece (Pitch), scoperta più recentemente,
poco utilizzata a causa delle caratteristiche di prestazione meno
sotto controllo.
Come nasce la fibra di carbonio?
Ciò che ha permesso di realizzare nel 1960 il primo processo industriale per la produzione di fibre di carbonio è la fibra di poliacrilonitrile (PAN), caratterizzata da una composizione chimica
adeguata, da un particolare orientamento molecolare e da una
specifica morfologia.
Il processo si basa sulla trasformazione chimica mediante ciclizzazione di polimeri e avviene in tre stadi:
a) riscaldamento: in presenza di aria e fino a temperature di 300400 °C, permette la ciclizzazione nelle unità ripetitive dei gruppi
ciano laterali;
La reazione di ciclizzazione porta a un materiale ignifugo di colore
nero, PAN ossidato ma con proprietà meccaniche modeste, che viene utilizzato per abbigliamento protettivo, per ovatte ignifughe o in
compositi carbonio-carbonio, per freni a elevate prestazioni (arerei,
macchine da corsa e treni ad alta velocità).
b) ossidazione: portando la temperatura a 700 °C sempre in presenza di aria, genera l’aromatizzazione degli anelli,
c) carbonizzazione: in assenza di aria, con due livelli di riscaldamento,
1) livello: a 400-600 °C, le catene aromatiche si fondono lateralmente mediante ciclizzazione formando polimeri “a nastro”;
Diamante, grafite e fibra di carbonio: tutti e tre a formula chimica C;
ovvero, sostanze diverse ma tutte costituite da soli atomi di carbonio.
I primi due sono minerali presenti in natura, rispettivamente il più
duro e il più morbido fra tutti. Il diamante a cella cristallina elementare tetraedrica spaziale; la grafite invece esagonale piana. Completamente diversi per proprietà di lucentezza, conduttività, abrasività.
La fibra di carbonio invece, sintetizzata industrialmente, appartiene
alla famiglia delle fibre polimeriCaratteristica
Alta Resistenza Alto Modulo Altissimo Modulo Acciaio
che e ha una struttura grafitica,
pur avendo proprietà completaDensità (kg/m3)
1800
1850
2100
7850
mente differenti.
Modulo elastico (GPa)
230
400
700
210
Scoperta nel 1879 da Edison, la
Resistenza meccanica a trazione (MPa)
5000
3000
1500
540
fibra di carbonio è comparsa sul
Deformazione a rottura
2%
0,9%
0,3%
20%
mercato solo nel 1960. Prodotta
Resistenza specifica (MPa/kg)
2,78
1,62
0,71
0,07
per modificazione di fibre orga-
RAPPORTO FVF
Il rapporto fibra/resina (fvf) deriva, principalmente, dal processo di
fabbricazione adottato per combinare la resina alla fibra. E’ inoltre
influenzato dal tipo di resina utilizzato e dal modo in cui le fibre sono incorporate. In generale - poiché le caratteristiche meccaniche
delle fibre sono maggiori di quelle delle resine - più alto è il volume
delle fibre, maggiori saranno le proprietà meccaniche dei compositi
ottenuti. In pratica però esiste un limite da parte delle fibre che necessitano, per manifestare a pieno le loro doti, di essere completamente ricoperte di resina. Inoltre il processo di produzione impiega54 Ottobre 2003
to per combinare le resine alle fibre porta a un numero variabile di
imperfezioni e di inclusioni d’aria. Utilizzando, ad esempio, il tipico
procedimento di impregnazione a mano (normalmente usato nella
nautica) il rapporto fvf è all’incirca a del 30-40%; con i procedimenti più sofisticati e più precisi (pre-impregnazione a macchina, tecnica del vuoto, autoclave, etc) il rapporto fvf raggiunge il 70%.
IMPORTANTE L’ORIENTAMENTO
La geometria delle fibre nei materiali compositi è molto importante: le maggiori proprietà meccaniche si hanno nel senso
2) livello: fino a circa 1300 °C, gli atomi di azoto (N) vengono gradualmente espulsi, a seguito della progressiva fusione laterale dei polimeri a nastro per realizzare catene polimeriche sempre più grandi.
Il processo di carbonizzazione è generalmente condotto in atmosfera inerte o sotto vuoto e porta alla rimozione di atomi dalla struttura, dando origine a un composto che contiene più del 90 % di carbonio e circa il 5% di azoto. La struttura grafitica così ottenuta è
costituita da atomi di carbonio, disposti in anelli esagonali aromatici, legati tra loro a formare piani, come rete metallica. Questa
struttura, molto simile a quella della grafite, si dispone volentieri in
lunghe catene allineate e allungate sullo stesso asse, come a formare dei nastri. Tra le catene polimeriche allineate si formano delle
forze di attrazione molto forti tra loro creando dei legami chimici,
che le trattengono e le saldano in modo molto efficace, dando origine alla fibra polimerica.
Proprietà della fibra di carbonio
Le proprietà meccaniche e dinamiche straordinarie della fibra di carbonio sono rappresentate da una elevata resistenza a trazione - doppia o tripla rispetto ai migliori acciai - da una rigidità uguale e un
peso specifico inferiore (un quarto di quello dell’acciaio); ma anche
da conduttività termica ed elettrica.
Nella realtà le fibre di carbonio commercialmente prodotte, al variare dei parametri di processo sopra descritti, sono caratterizzate da
una struttura cristallina a vario grado di reticolazione. Conseguentemente cambiano anche le caratteristiche fisico-meccaniche delle
fibre stesse, in particolare il modulo elastico.
Osserviamo le caratteristiche meccaniche di tre fra i più comuni tipi di
fibre di carbonio (Carbonio ad Alta Resistenza, Carbonio ad Alto Modulo e Carbonio ad Altissimo Modulo) confrontate con quelle dell’acciaio.
Il parametro che differenzia più marcatamente le fibre in carbonio
dall’acciaio, è la cosiddetta resistenza specifica, ossia, il rapporto
tra la resistenza meccanica a trazione e il peso specifico: da 10 a 40
volte maggiore. Questa caratteristica rende i composti in fibra di
carbonio particolarmente utili in settori come quello aeronautico o
aerospaziale, dove la leggerezza è un parametro essenziale.
Nella sezione
di questo
composito
avanzato
si notano vari
materiali, tra
cui la fibra
di carbonio
e l’anima
di Airex
della lunghezza delle fibre, e non trasversalmente. In sintesi,
il principio di anisotropia dei materiali compositi le cui qualità meccaniche - contrariamente ai metalli - sono molto differenti se testate nelle diverse direzioni. Questo spiega l’importanza - nella fase di progettazione di un composito - sia
della grandezza, sia della direzione del carico applicato.
Le proprietà di anisotropia sono comunque vantaggiose poiché permettono di non utilizzare alcun materiale superfluo.
COMPOSITO AVANZATO
Per migliorare le caratteristiche del composito semplice - cioè
matrice più rinforzo - si è arrivati al composito avanzato, con
l’aggiunta di un terzo materiale: “l’anima” o elemento neutro.
Le teorie ingenieristiche hanno dimostrato che la rigidità alla
flessione di un laminato è proporzionale al cubo del suo spessore. La possibilità di inserire un’anima tra due strati di laminato incrementa notevolmente la rigidità del composito, con
un lieve incremento di peso. Questo tipo di composito è comunemente chiamato “sandwich”.
Tre tipi di anime, che costituiscono il “ripieno”
del sandwich. Da sinistra: il Nomex
(la più evoluta), il Termanto e la balsa
UNA QUESTIONE DI ANIME
Ci sono vari tipi di anime da utilizzare in una costruzione a
sandwich; le più in uso sono: la balsa, il pvc a cellula chiusa
(Termanto o simili) e il “nido d’ape” (Honeycomb o Nomex, che
possono essere sia in alluminio che in carta impregnata). La
scelta delle anime varia a seconda del tipo di risultato che si
desidera ottenere; partendo dalla balsa - per compositi di discreta rigidità, ma senza particolari pretese sul peso e sulle
caratteristiche meccaniche generali - sino al Nomex, per i com
positi in sandwich dalle alte prestazioni.
Mauro Uggè sarà presente al Salone di Genova, presso lo stand
di SoloVela, domenica 12 ottobre alle ore 12:00, per parlare
di metodologie costruttive e materiali di nuova generazione.
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