Compositi e produzione di materiali compositi

Definiti semplicemente, COMPOSITI o MATERIALI COMPOSITI sono materiali costituiti da due o più materiali con proprietà fisiche o chimiche diverse, ma quando combinati diventano un materiale diverso dai materiali costituenti. Occorre sottolineare che i materiali costitutivi restano separati e distinti nella struttura. L'obiettivo nella produzione di un materiale composito è quello di ottenere un prodotto che sia superiore ai suoi componenti e combini le caratteristiche desiderate di ogni componente. Come esempio; forza, peso ridotto o prezzo inferiore possono essere la motivazione dietro la progettazione e la produzione di un composito. Il tipo di compositi che offriamo sono compositi rinforzati con particelle, compositi rinforzati con fibre, inclusi compositi a matrice ceramica / matrice polimerica / matrice metallica / carbonio-carbonio / compositi ibridi, compositi strutturali e laminati e strutturati a sandwich e nanocompositi.

 

Le tecniche di fabbricazione che impieghiamo nella produzione di materiali compositi sono: pultrusione, processi di produzione preimpregnati, posizionamento avanzato delle fibre, avvolgimento del filamento, posizionamento su misura delle fibre, processo di laminazione a spruzzo in fibra di vetro, tufting, processo lanxide, z-pinning.
Molti materiali compositi sono costituiti da due fasi, la matrice, che è continua e circonda l'altra fase; e la fase dispersa che è circondata dalla matrice.
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• COMPOSITI RINFORZATI CON PARTICELLE: Questa categoria è composta da due tipi: compositi a grandi particelle e compositi rinforzati con dispersione. Nel primo tipo, le interazioni particella-matrice non possono essere trattate a livello atomico o molecolare. Invece è valida la meccanica del continuo. D'altra parte, nei compositi rinforzati con dispersione le particelle sono generalmente molto più piccole nelle gamme di decine di nanometri. Un esempio di composito a particelle grandi sono i polimeri a cui sono stati aggiunti riempitivi. I riempitivi migliorano le proprietà del materiale e possono sostituire parte del volume del polimero con un materiale più economico. Le frazioni di volume delle due fasi influenzano il comportamento del composito. I compositi a grandi particelle vengono utilizzati con metalli, polimeri e ceramiche. I CERMETS sono esempi di compositi ceramica/metallo. Il nostro cermet più comune è il carburo cementato. È costituito da ceramica refrattaria al carburo come particelle di carburo di tungsteno in una matrice di un metallo come cobalto o nichel. Questi compositi in metallo duro sono ampiamente utilizzati come utensili da taglio per acciaio temprato. Le particelle di carburo duro sono responsabili dell'azione di taglio e la loro tenacità è esaltata dalla matrice metallica duttile. In questo modo otteniamo i vantaggi di entrambi i materiali in un unico composito. Un altro esempio comune di composito a grandi particelle che utilizziamo sono le particelle di nerofumo mescolate con gomma vulcanizzata per ottenere un composito con elevata resistenza alla trazione, tenacità, resistenza allo strappo e all'abrasione. Un esempio di composito rinforzato per dispersione sono i metalli e le leghe metalliche rinforzati e induriti dalla dispersione uniforme di particelle fini di un materiale molto duro e inerte. Quando vengono aggiunte scaglie di ossido di alluminio molto piccole alla matrice metallica di alluminio, otteniamo polvere di alluminio sinterizzato che ha una maggiore resistenza alle alte temperature. 

 

• COMPOSITI FIBRORINFORZATI: Questa categoria di compositi è infatti la più importante. L'obiettivo da raggiungere è un'elevata resistenza e rigidità per unità di peso. La composizione delle fibre, la lunghezza, l'orientamento e la concentrazione in questi compositi sono fondamentali per determinare le proprietà e l'utilità di questi materiali. Ci sono tre gruppi di fibre che utilizziamo: baffi, fibre e fili. I BATTINI sono monocristalli molto sottili e lunghi. Sono tra i materiali più resistenti. Alcuni esempi di materiali per baffi sono grafite, nitruro di silicio, ossido di alluminio.  FIBERS invece sono per lo più polimeri o ceramiche e sono allo stato policristallino o amorfo. Il terzo gruppo è costituito da FILI fini che hanno diametri relativamente grandi e sono costituiti spesso da acciaio o tungsteno. Un esempio di composito rinforzato con filo sono i pneumatici per auto che incorporano filo di acciaio all'interno della gomma. A seconda del materiale della matrice, abbiamo i seguenti compositi:
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA: Sono costituiti da una resina polimerica e fibre come ingrediente di rinforzo. Un sottogruppo di questi, chiamati compositi polimerici rinforzati con fibra di vetro (GFRP), contiene fibre di vetro continue o discontinue all'interno di una matrice polimerica. Il vetro offre un'elevata resistenza, è economico, facile da fabbricare in fibre ed è chimicamente inerte. Gli svantaggi sono la loro rigidità e rigidità limitate, le temperature di servizio sono solo fino a 200 – 300 gradi centigradi. La fibra di vetro è adatta per carrozzerie e attrezzature per il trasporto di automobili, carrozzerie di veicoli marini, container di stoccaggio. Non sono adatti per l'industria aerospaziale né per la costruzione di ponti a causa della rigidità limitata. L'altro sottogruppo è chiamato composito con polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). Qui, il carbonio è il nostro materiale in fibra nella matrice polimerica. Il carbonio è noto per il suo elevato modulo specifico e resistenza e per la sua capacità di mantenerli ad alte temperature. Le fibre di carbonio possono offrirci moduli di trazione standard, intermedi, alti e ultraelevati. Inoltre, le fibre di carbonio offrono diverse caratteristiche fisiche e meccaniche e quindi sono adatte a varie applicazioni ingegneristiche personalizzate. I compositi CFRP possono essere considerati per la produzione di attrezzature sportive e ricreative, recipienti a pressione e componenti strutturali aerospaziali. Ancora, un altro sottogruppo, i compositi polimerici rinforzati con fibra aramidica sono anche materiali ad alta resistenza e modulo. I loro rapporti forza/peso sono straordinariamente elevati. Le fibre aramidiche sono anche conosciute con i nomi commerciali KEVLAR e NOMEX. Sotto tensione si comportano meglio di altri materiali in fibra polimerica, ma sono deboli in compressione. Le fibre aramidiche sono tenaci, resistenti agli urti, allo scorrimento e alla fatica, stabili alle alte temperature, chimicamente inerti tranne che contro acidi e basi forti. Le fibre aramidiche sono ampiamente utilizzate in articoli sportivi, giubbotti antiproiettile, pneumatici, corde, guaine per cavi in fibra ottica. Esistono altri materiali di rinforzo in fibra, ma vengono utilizzati in misura minore. Questi sono principalmente boro, carburo di silicio, ossido di alluminio. Anche il materiale della matrice polimerica è critico. Determina la temperatura massima di servizio del composito perché il polimero ha generalmente una temperatura di fusione e degradazione inferiore. I poliesteri e gli esteri vinilici sono ampiamente utilizzati come matrice polimerica. Vengono utilizzate anche resine che hanno un'eccellente resistenza all'umidità e proprietà meccaniche. Ad esempio la resina poliimmidica può essere utilizzata fino a circa 230 gradi Celsius. 
COMPOSITI A MATRICE METALLICA : In questi materiali utilizziamo una matrice metallica duttile e le temperature di servizio sono generalmente superiori ai loro componenti costitutivi. Rispetto ai compositi a matrice polimerica, questi possono avere temperature operative più elevate, essere non infiammabili e possono avere una migliore resistenza alla degradazione contro i fluidi organici. Tuttavia sono più costosi. Materiali di rinforzo come baffi, particelle, fibre continue e discontinue; e vengono comunemente usati materiali di matrice come rame, alluminio, magnesio, titanio, superleghe. Esempi di applicazioni sono i componenti del motore realizzati con matrice in lega di alluminio rinforzata con ossido di alluminio e fibre di carbonio. 
COMPOSITI A MATRICE CERAMICA: I materiali ceramici sono noti per la loro eccezionale affidabilità alle alte temperature. Tuttavia sono molto fragili e hanno bassi valori di tenacità alla frattura. Incorporando particelle, fibre o baffi di una ceramica nella matrice di un'altra, siamo in grado di ottenere compositi con tenacità alla frattura più elevate. Questi materiali incorporati fondamentalmente inibiscono la propagazione della cricca all'interno della matrice mediante alcuni meccanismi come la deflessione delle punte delle cricche o la formazione di ponti attraverso le facce delle cricche. Ad esempio, le allumine rinforzate con baffi SiC vengono utilizzate come inserti per utensili da taglio per la lavorazione di leghe di metalli duri. Questi possono rivelare prestazioni migliori rispetto ai carburi cementati.  
COMPOSITI CARBONIO-CARBONIO: Sia il rinforzo che la matrice sono in carbonio. Hanno moduli e resistenze alla trazione elevati a temperature superiori a 2000 gradi centigradi, resistenza allo scorrimento, elevata tenacità alla frattura, bassi coefficienti di dilatazione termica, elevata conducibilità termica. Queste proprietà li rendono ideali per applicazioni che richiedono resistenza agli shock termici. Il punto debole dei compositi carbonio-carbonio è tuttavia la sua vulnerabilità all'ossidazione alle alte temperature. Esempi tipici di utilizzo sono gli stampi per stampaggio a caldo, la produzione avanzata di componenti di motori a turbina. 
COMPOSITI IBRIDI: Due o più diversi tipi di fibre sono mescolati in un'unica matrice. Si può così personalizzare un nuovo materiale con una combinazione di proprietà. Un esempio è quando sia le fibre di carbonio che quelle di vetro sono incorporate in una resina polimerica. Le fibre di carbonio forniscono rigidità e resistenza a bassa densità, ma sono costose. Il vetro invece è economico ma manca della rigidità delle fibre di carbonio. Il composito ibrido vetro-carbonio è più resistente e resistente e può essere prodotto a un costo inferiore.
LAVORAZIONE DEI COMPOSITI FIBRORINFORZATI: Per i materiali plastici fibrorinforzati continui con fibre uniformemente distribuite orientate nella stessa direzione utilizziamo le seguenti tecniche.
PULTRUSIONE: Vengono prodotti tondini, travi e tubi di lunghezza continua e sezione costante. I roving in fibra continua sono impregnati con una resina termoindurente e vengono tirati attraverso uno stampo in acciaio per preformarli alla forma desiderata. Successivamente, passano attraverso uno stampo di polimerizzazione lavorato con precisione per ottenere la sua forma finale. Poiché lo stampo di polimerizzazione viene riscaldato, polimerizza la matrice di resina. Gli estrattori aspirano il materiale attraverso gli stampi. Utilizzando le anime cave inserite, siamo in grado di ottenere tubi e geometrie cave. Il metodo di pultrusione è automatizzato e ci offre alti tassi di produzione. È possibile produrre qualsiasi lunghezza di prodotto. 
PROCESSO DI PRODUZIONE DEL PREPREG: Il prepreg è un rinforzo a fibra continua preimpregnato con una resina polimerica parzialmente indurita. È ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali. Il materiale viene fornito sotto forma di nastro e viene spedito come nastro. Il produttore lo modella direttamente e lo polimerizza completamente senza la necessità di aggiungere alcuna resina. Poiché i preimpregnati subiscono reazioni di polimerizzazione a temperatura ambiente, vengono conservati a 0 gradi centigradi o temperature inferiori. Dopo l'uso, i nastri rimanenti vengono rimessi a basse temperature. Vengono utilizzate resine termoplastiche e termoindurenti e sono comuni fibre di rinforzo di carbonio, aramide e vetro. Per utilizzare i preimpregnati, la carta di supporto del supporto viene prima rimossa e quindi la fabbricazione viene eseguita stendendo il nastro preimpregnato su una superficie lavorata (il processo di laminazione). Possono essere posati più strati per ottenere gli spessori desiderati. La pratica frequente consiste nell'alternare l'orientamento della fibra per produrre un laminato a strati incrociati o angolari. Infine vengono applicati calore e pressione per l'indurimento. Sia la lavorazione manuale che i processi automatizzati vengono utilizzati per il taglio di preimpregnati e lay-up.
AVVOLGIMENTO DEL FILAMENTO: le fibre di rinforzo continue sono accuratamente posizionate secondo uno schema predeterminato per seguire una forma cava  e solitamente cilindrica. Le fibre passano prima in un bagno di resina e poi vengono avvolte su un mandrino da un sistema automatizzato. Dopo diverse ripetizioni di avvolgimento si ottengono gli spessori desiderati e la stagionatura viene eseguita a temperatura ambiente o all'interno di un forno. Ora il mandrino viene rimosso e il prodotto viene sformato. L'avvolgimento del filamento può offrire rapporti resistenza-peso molto elevati avvolgendo le fibre secondo schemi circonferenziali, elicoidali e polari. Tubi, serbatoi, involucri sono realizzati con questa tecnica. 

 

• COMPOSITI STRUTTURALI: Generalmente sono costituiti da materiali sia omogenei che compositi. Pertanto le proprietà di questi sono determinate dai materiali costitutivi e dal disegno geometrico dei suoi elementi. Ecco i tipi principali:
COMPOSITI LAMINARI: Questi materiali strutturali sono costituiti da lastre o pannelli bidimensionali con direzioni preferenziali ad alta resistenza. Gli strati sono impilati e cementati insieme. Alternando le direzioni di alta resistenza nei due assi perpendicolari, otteniamo un composito che ha alta resistenza in entrambe le direzioni nel piano bidimensionale. Regolando gli angoli degli strati si può fabbricare un composito con forza nelle direzioni preferite. Lo sci moderno è prodotto in questo modo. 
PANNELLI SANDWICH: questi compositi strutturali sono leggeri ma hanno un'elevata rigidità e resistenza. I pannelli sandwich sono costituiti da due fogli esterni realizzati con un materiale rigido e resistente come leghe di alluminio, plastica rinforzata con fibre o acciaio e un'anima tra i fogli esterni. Il nucleo deve essere leggero e il più delle volte avere un basso modulo di elasticità. I materiali di base popolari sono schiume polimeriche rigide, legno e nido d'ape. I pannelli sandwich sono ampiamente utilizzati nel settore edile come materiale di copertura, materiale per pavimenti o pareti e anche nell'industria aerospaziale.  

 

• NANOCOMPOSITI: questi nuovi materiali sono costituiti da particelle di dimensioni nanometriche incorporate in una matrice. Usando i nanocompositi possiamo produrre materiali in gomma che sono ottime barriere alla penetrazione dell'aria mantenendo inalterate le loro proprietà della gomma.