Tecnica Aeronautica

 

Il materiale composito

 

di Oscar Conte

 

 

IL MATERIALE COMPOSITO

 

Cosa s’intende per materiale composito? La stessa parola lo dice: si tratta di un materiale composto (da elementi eterogenei!).

In principio esso è costituito da un elemento di forza filamentoso e di una matrice conglomerante.

Come e perche' e' nata l’idea del composito? L’evento basilare fu la disponibilità industriale dei polimeri o resine sintetiche.

Inizialmente le resine si usavano caricate con materiale inerte in polvere al solo scopo di aumentare la resa volumetrica. Con la necessita' di dare una funzione strutturale di forza alle parti costruite con resina nacque l’idea di rinforzarle. In prima istanza furono usate le fibre di amianto. Ma fu con l’arrivo delle fibre di vetro che l’idea del rinforzo ebbe piena materializzazione. Successivamente furono sviluppate nuove resine e fibre che opportunamente scelte conferiscono caratteristiche fisiche e chimiche particolari al composito tali come resistenza meccanica termica o ambientale, conduttivita' termica o elettrica, schermatura alle interferenze elettromagnetiche, etc.

 

LE FIBRE DI RINFORZO

 

Come gia' accennato la funzione delle   fibre e' di conferire resistenza meccanica al composito; a volte anche particolari caratteristiche termiche o elettromagnetiche.

Le fibre si dividono in due grandi categorie: metalliche e non –metalliche e queste ultime in minerali ed organiche. Le prime sono di uso industriale particolare e limitato. In genere si impiegano per ottenere caratteristiche di conduttivita' termica o elettrica oppure di resistenza meccanica alle alte temperature nonche' di schermatura alle interferenze elettromagnetiche. Tra loro contano quelle di acciaio inox, boro, tungsteno e molibdeno.

La seconda categoria di fibre si usa per ottenere buona resistenza meccanica e termica abbinate fondamentalmente ad una bassa densita'. La madre di tutte le fibre, il vetro, e' una loro; si sono aggiunte poi la grafite, il carbonio, il carburo di silicio ed il kevlar. Mentre le prime sono di natura inorganica il kevlar invece e' l’ultima nata di origine organica ma la piu' importante tra altre.

Le fibre sono configurate secondo la tecnologia di fabbricazione del composito come fili lunghi a piu' capi per avvolgimenti, fili spezzettati per deposizione a spruzzo, fili a fiocchi o tessuto quadrettato per stampaggio a stampo chiuso, fili a feltro o tessuto per stampaggio con sacco a vuoto o deposizione su stampo aperto.

 

LA MATRICE CONGLOMERANTE

 

La funzione della matrice e' di assicurare la continuità e la stabilità strutturale del composito. In fatti la fibra da sola puo'  trasmettere solo trazione lungo se stessa mentre la matrice provvede alla trasmissione del taglio e la compressione nonche' alla impermeabilità del manufatto.

Le matrici si classificano in due grandi categorie: metalliche e polimeriche. Le prime si usano esclusivamente con fibre metalliche, grafite o carburo di tungsteno per ragioni di compatibilita' tecnologica. In fatti esse sono elaborate per fusione di leghe leggere oppure di nichel in combinazione con fili di tungsteno o molibdeno per compositi resistenti ad alte temperature. Hanno limitata applicazione industriale.

Le matrici polimeriche invece si usano con fibre sia metalliche sia non-metalliche. Le piu' diffuse industrialmente sono le resine poliestere, le epossidiche e le fenoliche.

Si usano pure matrici polimeriche elastiche (gomme sintetiche) che opportunamente caricate con fibre di amianto (ora fuori legge) oppure kevlar diventano compositi resistenti alle alte temperature per effetto ablazione (pirolizzazione con sublimazione) e svolgono funzione     di protezione termica di parti strutturali; la loro elasticita' assicura l’adesione alla parete da proteggere.

Un’altra variante di matrice si trova nel composito” carbonio-carbonio ”. In questo composito le fibre di carbonio sono conglomerate da una matrice di resina che viene pirolizzata e poi densificata con successive infiltrazioni d’idrocarburi e ripirolizzazioni ottenendosi una matrice di pirocarbonio. Da qui la denominazione di carbonio-carbonio. Secondo la configurazione delle fibre si ottengono strutture con caratteristiche 2D (due direzioni, ortotropiche su un piano), 3D (tre direzioni, ortotropiche nello spazio) oppure 4D (quattro direzioni, quasi isotropiche). Il tipo 2D viene usato nella realizzazione dei dischi di freno aeronautici (ed in Formula uno). Tutti e tre i tipi sono invece impiegati in missilistica per la costruzione di ugelli per motori a razzo dove temperature ed effetti erosivi del getto di gas raggiungono il massimo valore.

 

LE CARATTERISTICHE MECCANICHE DEI COMPOSITI

 

Dato che le caratteristiche meccaniche dei compositi dipendono quasi esclusivamente dalle fibre e' chiaro che maggiore e' il contenuto di esse e maggiore saranno la resistenza e la rigidezza.

Nelle applicazioni aerospaziali si arriva al 60% in volume; il limite è dato dalla “ bagnabilita' ” delle fibre nei confronti della matrice.

Nelle applicazioni industriali normali compresa la nautica corrente, dove il peso non gioca un ruolo importante si riduce il contenuto di fibre in favore della semplificazione tecnologica. In fatti uno  dei difetti di fabbricazione piu' comuni sono i vuoti (bolle d’aria) che si possono evitare pressionando piu' fortemente il laminato (con stampo chiuso o sacco a vuoto) oppure semplicemente aumentando il contenuto di resina. Industrialmente si lavora su valori che oscillano tra il 20% ed il 40% secondo la fibra, della resina e della importanza della applicazione.

La tabella rapporta i valori tipici delle caratteristiche meccaniche delle fibre di uso più diffuso industrialmente. Per passare alle caratteristiche del composito si tenga conto della proporzionalita' al contenuto in volume di fibre. Quindi per esempio, 50% di contenuto equivale praticamente al dimezzamento delle caratteristiche a parita' di configurazione delle fibre. In fatti anche l’orientamento delle fibre e' di vitale importanza. Quanto detto sopra vale rigorosamente per configurazioni di fibre allineate con il carico. Nel caso dei compositi con fibre inclinate rispetto al carico, come avviene per esempio nei laminati avvolti elicoidalmente o stampati di tessuti disposti a rombo, oppure in quelli stampati a partire di feltri o fiocchi nonche' deposti a spruzzo (disposizione casuale delle fibre in tutti questi ultimi) si verifica una ulteriore diminuzione delle caratteristiche. In principio vale la legge della proiezione, cioe' ogni fibra assorbe solo la componente del carico proiettata sul proprio asse, quindi un carico allineato e' assorbito completamente dalla fibra mentre un carico ortogonale e' completamente ignorato.

 

CARATTERISTICHE MECCANICHE TIPICHE DELLE FIBRE PIU’ DIFFUSE

 

FIBRA

RESISTENZA TRAZIONE

RIGIDEZZA TRAZIONE

PESO SPECIFICO

RESISTENZA SPECIFICA

RIGIDEZZA SPECIFICA

 

Kg/mmq

Kg/mmq

gr/cmc

mmx10-6

mmx10-6

Vetro E

300

7000

2,5

120

2800

Vetro S

400

8500

2,5

160

3400

Carbonio HS

450

30000

1,8

250

16666

Carbonio HM

230

40000

1,8

127

22222

Boro

280

42000

2,4

116

17500

Kevlar

300

12000

1,5

200

8000

Acciaio Lega

120

21000

7,8

15

2692

Alu Lega

40

7700

2,7

15

2851

 

 

 

 

 

 

 

I COMPOSITI DERIVATI

 

Visto che con i moderni laminati in composito e' possibile assolvere funzioni strutturali globali con spessori molto ridotti, si pone il problema della stabilita' laterale del laminato sottoposto a compressione assiale nonche' pressione laterale come si verifica nei gusci degli aeromobili e delle barche.

A questo problema si da' rimedio configurando il laminato a sandwich.

Il sandwich non e' altro che due laminati uniti fra di loro da un anima leggera che provvede alla trasmissione degli sforzi di taglio generati dalla pressione laterale lasciando ai laminati il compito di trasmettere gli sforzi assiali di trazione e compressione, questi ultimi senza problemi di stabilita' in quanto appoggiati lateralmente all’ anima.

Come materiale per l’anima si usano resine espanse, panelli a nido d’ape in cartone sintetico o semplicemente legno balsa. I laminati sono incollati all’ anima generalmente con la tecnica del sacco a vuoto per garantire continuita' di contatto tra le parti.

 

 

Il PREGI E DIFETTI DEI COMPOSITI

 

Il principale pregio e' costituito dalla loro resistenza meccanica specifica. Inoltre i compositi si prestano competitivamente a produzioni artigianali di manufatti di alte prestazioni e molto di piu' ancora a produzioni artigianali di manufatti a basso costo. Resistono bene gli agenti ambientali ostili, cosa importante per i veicoli e soprattutto per le barche. Uno dei problemi più importanti non ancora risolto soddisfacentemente e che spesso si oppone all' uso dei compositi in applicazioni dove l’affidabilita' e' assolutamente richiesta, e' il controllo di qualità alla fine del ciclo di produzione e durante la vita del manufatto.

Mentre per le strutture metalliche e' relativamente facile controllare il manufatto per difetti tali come cricche e cedimenti sia superficiali sia in profondita', nonche' eseguire prove di carico a contingenza come si fa per esempio con i serbatoi pressurizzati per collaudo di accettazione, con i compositi non esistono controlli non-distruttivi inequivocabili che garantiscano la integrita' della struttura oltre la radiografia e la termografia.

Le stesse prove di carico a contingenza lasciano il dubbio di provocare danni che non possono essere poi rilevati. Tentativi senza successo sono stati fatti con la emissione acustica prodotta durante le prove di carico per giudicare il comportamento della struttura.

Per questo motivo e quando la sicurezza lo richiede, e' consuetudine stabilire statisticamente la vita utile dei manufatti in composito in base a dure prove statiche e dinamiche e prescrivere la sostituzione al termine della stessa.

Il severo controllo di qualita' della materia prima e dei parametri tecnologici durante il processo di fabbricazione (pressioni, temperature, tempi, tensione del filo in avvolgimenti, etc.) costituiscono l’unico efficiente controllo di qualita' per i compositi.

 

LA PROGETTAZIONE CON COMPOSITI

 

IL MATERIALE

La scelta del composito piu' idoneo dipende non solo dalle prestazioni in termini di peso richieste al manufatto ma anche dalle condizioni al contorno di ogni particolare applicazione.

Per esempio, trattandosi di recipienti pressurizzati dove si deve garantire la tenuta di un fluido e' indispensabile l’uso di un liner metallico. In questo caso lo sfruttamento completo dell’alta resistenza meccanica delle fibre si raggiunge solo quando le rigidezze del composito ed il metallo sono simili. Il vetro, che e' la fibra più industrialmente diffusa non si abbina bene in questa applicazione ai metalli ferrosi appunto per questa ragione.

Nel caso di telai (vedi Formula 1) oppure superfici di controllo aerodinamico di aeromobili (ali, alettoni, impennaggi, timoni ed eliche) dove l’elasticita' puo' cambiare radicalmente il comportamento del veicolo o velivolo richiedono l’uso di compositi rigidi; anche qui l’uso del vetro non risulta idoneo.

Per queste applicazioni si preferisce il carbonio e parzialmente il kevlar. Incluso tra queste fibre stesse ci sono le qualita' “alta resistenza” (HS = High Strength) ed “alta rigidezza” (HM = High Modulus).Di solito le seconde sono piu' costose in quanto richiedono un processo di fabbricazione piu' lungo. A questo punto nella scelta interviene pure il fattore economico.

 

LA CONFIGURAZIONE DEL RINFORZO

 

E stata gia' accennata l’importanza della configurazione del rinforzo per la prestazione meccanica. Le fibre sono sfruttate al meglio in trazione. Soprattutto l’immissione di carichi concentrati nel laminato va studiato in modo da dissipare razionalmente gli sforzi. Ove necessario si possono usare non soltanto diversi materiali ma anche differenti configurazioni.

 

LA TECNOLOGIA

 

Anche qui la scelta e' fatta in base alle prestazioni richieste al manufatto in termini di peso ma anche dalle esigenze di volume e costo di produzione.

La deposizione a stampo aperto e' meno performante ed affidabile ma piu' economica, soprattutto se si usa la fibra a feltro o se la deposizione avviene per spruzzo dove le fibre assumono una disposizione casuale.

Infine lo stampaggio a stampo chiuso di fibre pre-impregnate e' la tecnica che offre la maggiore produttivita' anche se a costo di ridotte prestazioni meccaniche, quindi applicabile solo a manufatti non-strutturali di larga produzione come panelli di rivestimento per automobili od aerei trasporto passeggeri.

 

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 ** Oscar Conte e' un Ingegnere Meccanico argentino con grande esperienza nel campo dei compositi. Ha lavorato per le piu'grandi Aziende Internazionali per tantissimi anni ed ora gode del meritato riposo volando con il suo Storm nei cieli Italiani.

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