Materiale composito: differenze tra le versioni

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{{NN|ingegneria |maggio 2013|commento=}}
[[File:Kohlenstofffasermatte.jpg|thumb|Tessuto di filamenti in [[fibra di carbonio]].]]

InUn '''materiale composito''', nella [[scienza dei materiali]], un '''materiale composito''' è un [[materiale]] eterogeneo, cioè costituito da due o più fasi con proprietà fisiche differenti, le cui proprietà sono molto migliori di quelle delle fasi che lo costituiscono<ref>{{Cita libro|nome=Callister, William D., Jr.,|cognome=1940-|titolo=Materials science and engineering : an introduction|url=https://www.worldcat.org/oclc/61463872|edizione=7th ed|data=2007|editore=John Wiley & Sons|OCLCoclc=61463872|ISBN=0471736961}}</ref>. Solitamente, le diverse fasi nel composito sono costituite da materiali diversi, come nel caso di compositi di fibra di carbonio e resina epossidica.<ref>https://www.infobuild.it/approfondimenti/materiali-compositi/</ref> Vi sono tuttavia delle eccezioni in cui le diverse fasi sono fatte dello stesso materiale, come ad esempio nei materiali SiC/SiC ([[carburo di silicio]])<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Y|cognome=Katoh|data=2004-08|titolo=SiC/SiC composites through transient eutectic-phase route for fusion applications|rivista=Journal of Nuclear Materials|volume=329-333|pp=587–591587-591|accesso=2018-04-26 aprile 2018|doi=10.1016/j.jnucmat.2004.04.157|url=https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.157|nome2=A|cognome2=Kohyama|nome3=T|cognome3=Nozawa}}</ref> e Polipropilenenel polipropilene autorinforzato (SRPP)<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Y.|cognome=Swolfs|data=2013-10|titolo=The influence of weave architecture on the mechanical properties of self-reinforced polypropylene|rivista=Composites Part A: Applied Science and Manufacturing|volume=53|pp=129–136129-136|accesso=2018-04-26 aprile 2018|doi=10.1016/j.compositesa.2013.06.015|url=https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2013.06.015|nome2=L.|cognome2=Crauwels|nome3=L.|cognome3=Gorbatikh}}</ref>. I materiali compositi possono essere sia artificiali che naturali. Alcuni esempi di materiali compositi presenti in natura sono il [[legno]], in cui fibre di cellulosa sono disperse in una fase di lignina, e le ossa, in cui il collagene è rinforzato da [[apatite]] minerale.

== Cenni storiciStoria ==

I più primitivi materiali compositi artificiali furono i [[mattone|mattoni]], costituiti da [[paglia]] e [[fango]] combinati insieme;. ilIl libro [[Bibbia|Biblico]] dell'[[Libro dell'Esodo|Esodo]], ad esempio, parla degli [[Israeliti]] oppressi dal [[Faraone]] che erano costretti a preparare mattoni senza paglia. L'antico processo della lavorazione del mattone può ancora essere visto sui [[Arte egiziana#Dipinti|dipinti tombali egiziani]] nel [[Metropolitan Museum of Art]].

Più tardi furono messi a punto altri materiali compositi, tra cui il [[compensato]], il [[calcestruzzo]], e l'insieme di calcestruzzo e tondini di [[ferro]] (chiamato [[calcestruzzo armato|cemento armato]]).

== Struttura dei materiali compositi ==

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I singoli materiali che formano i compositi sono chiamati '''costituenti''', e a seconda della loro funzione prendono il nome di '''matrice''' e '''rinforzo''' (o '''carica''').<ref name=Callister514/>

L'insieme di queste due parti costituisce un prodotto in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime (a questo scopo fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra rinforzo e matrice) e massa volumica decisamente bassa: per questo motivo i compositi sono largamente usati nelle applicazioni dove la leggerezza è cruciale, [[aeronautica]] ''in primis''.<ref>{{Cita|Mazumdar|cap. 1.8.1}}.</ref>

=== Matrice ===

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Nella maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perché garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno però il difetto di calare drasticamente le ''performance'' al salire della temperatura.

Nei materiali compositi a matrice polimerica si possono utilizzare come matrice ad esempio le [[resine epossidiche]] (le stesse usate in alcuni [[adesivi strutturali|adesivi]] e [[poliesteri]]) oppure le [[Resine fenoliche]], eventualmente additivate con altri polimeri (p.es. [[Polivinilbutirrale|PVB]]) che contribuiscono a migliorare le caratteristiche meccaniche (p.es flessibilità) del materiale composito pur mantenendo l'adesione al rinforzo.

=== Rinforzo ===

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==== Compositi con fase dispersa particellare ====

Nei compositi particellari il rinforzo è costituito da "particelle", le quali (a differenza delle fibre) possono assumersi equiassiche,

Le proprietà chimico-fisiche dei materiali compositi particellari dipendono dalla geometria del sistema particellare, ovvero:

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==== Compositi strutturati ====

I compositi strutturati sono manufatti realizzati con uno o più strati di tessuto di rinforzo su cui è applicata una matrice in resina (epossidica, poliestere, ecc.) e, se previsto, anche con un materiale di anima, ovvero il laminato a sandwich. Spesso il tessuto di rinforzo è anche chiamato pelle o stuoia. Successivamente vi è una fase di indurimento della matrice in resina ([[curing]]), in seguito alla quale il laminato è considerato utilizzabile.

{{...|ingegneria}}

Il laminato, pannello o struttura a sandwich è costituito da due strati resistenti, chiamati pelli o facce, tra loro distanziati e collegati in maniera rigida a un elemento connettivo chiamato anima (noto come "core" in inglese). Questa struttura ha caratteristiche statiche notevolmente migliori rispetto alle singole parti che la compongono. Il [[cartone]] è un esempio di pannello a sandwich: gli strati esterni sono infatti separati da uno strato di cartone ondulato, posto al centro.

=== Meccanismi di adesione matrice-rinforzo ===

Le interfacce tra matrice e rinforzante rappresentano il luogo in cui avviene il trasferimento degli stress tra i due componenti del materiale. Si possono distinguere due situazioni principali:<ref name=":0" />

{{...|ingegneria}}

* '''legame interfacciale forte''': in questo caso, l'inserimento del rinforzante contribuisce ad aumentare la rigidezza e la resistenza del composito.

* '''legame interfacciale debole''': si verificano fenomeni di decoesione e scorrimento relativo tra matrice e rinforzante, che comportano un incremento del lavoro necessario per la frattura del composito. In tali condizioni, la presenza del rinforzante aumenta l'energia richiesta per l'apertura di una cricca, rendendo il materiale più tenace rispetto alla sola matrice.

In entrambe le situazioni si osserva un miglioramento di alcune proprietà meccaniche a scapito di altre, rendendo i due scenari mutualmente incompatibili. Pertanto, la resistenza del legame interfacciale deve essere opportunamente bilanciata per ottenere la migliore combinazione possibile di proprietà meccaniche in funzione dell'applicazione prevista.<ref name=":0">{{Cita libro|autore=Claudio Francesco Badini|titolo=Materiali Compositi per l'Ingegneria|url=https://iris.polito.it/handle/11583/1392975?mode=complete|edizione=2|anno=2013|città=Torino|pp=44-47|ISBN=9788876615894}}</ref>

Nel momento in cui un composito viene fabbriacato spesso la matrice si trova sotto forma di fase liquida o pastosa, pertanto la capacità della matrice di ricoprire il rinforzante è data anche dalla [[Bagnatura|bagnabilità]] tra questi.

== Produzione dei materiali compositi ==

=== Pultrusione ===

=== Avvolgimento su rocchetto ===

È una tecnica per la produzione di componenti cavi a simmetria cilindrica (come tubi, pali, serbatoi). Consiste nell'avvolgimento di fibre impregnate di resina a bassa viscosità su di un [[rocchetto (filo)|rocchetto]] con un [[mandrino]] rotante. È un procedimento rapido e economico, e garantisce buone proprietà strutturali al composito. Il processo è però limitato ad oggetti di forma convessa senza concavità.

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=== Formatura per infusione di resina (RTM) ===

Il RTM (resin transfer moulding) è un processo in cui viene usato uno [[stampo]] in due componenti che sagoma le due facce del pannello. La parte inferiore è rigida, la parte superiore può essere anch'essa rigida o flessibile. Gli stampi flessibili possono essere realizzati in materiale composito, [[siliconi]] o in fili di polimeri estrusi, come il [[nylon]]. I due lati combaciano per formare una cavità di stampo. La particolarità di questo processo è che i materiali di rinforzo vengono posizionati nella cavità e lo stampo viene chiuso prima dell'introduzione del materiale che costituirà la matrice. Il RTM ha numerose varietà che differiscono nel modo in cui la [[resina artificiale|resina]] viene introdotta. Il processo può avvenire sia ad alta temperaturetemperatura sia a temperatura ambiente.

=== Laminazione ===

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=== Laminazione in autoclave ===

{{Vedi anche|Processo di Lay-Up}}

Questa lavorazione viene solitamente usata per trattare le fibre di carbonio o il [[kevlar]]. Vengono prima tagliati degli strati di fibre della lunghezza desiderata; successivamente questi vengono impilati e incollati. Questi blocchi sono poi successivamente inseriti in un'autoclave, dove vengono sottoposti a dei programmi di temperatura e pressione, al termine dei quali si ottiene il laminato indurito. In questa lavorazione è molto comune l'uso dei ''prepreg'' (fibre preimpregnate di resina), che garantiscono omogeneità strutturale al composito.

Una variante produttiva per la laminazione consiste nell'usare un film solventless di [[Polivinilbutirrale|PVB]]<ref>[http://www.kuraray.eu/en/produkte/product-ranges/mowital-lp-bf/ PVB film] {{webarchiveCita web|url=https://web.archive.org/web/20140108142209/http://www.kuraray.eu/en/produkte/productproducts-rangessolutions/mowitalpolyvinyl-lp-bf/ butyral|datatitolo=8 gennaio 2014PVB film}}</ref> da interporre tra gli strati dei ''prepreg'': controllando opportunamente i parametri di temperatura, pressione e tempo, si può regolare il grado di penetrazione del [[Polivinilbutirrale|PVB]] all'interno dei'' prepreg'' in funzione delle proprietà meccaniche richieste al composito finito. I vantaggi dell'uso di tali film sono legati principalmente all'assenza di solventi, alla facilità di applicazione e alle buone proprietà di adesione del [[Polivinilbutirrale|PVB]] a diversi tipi di fibre usate nei compositi (p.es [[Fibra di carbonio]], [[Aramid|Fibra Aramidica]], [[Fibra di vetro]]).

== Esempi di materiali compositi e applicazioni ==

I materiali compositi sono richiesti da quei settori della produzione dove è necessario soddisfare esigenze di basso peso ed elevate caratteristiche meccaniche.

Le industrie aeronautica, navale e automobilistica fanno larghissimo uso di materiali compositi per la costruzione di strutture alari, fusoliere, carrelli, [[Imbarcazione|barche]], [[Canoa/Kayak|canoe]], pannelli di carrozzeria, telai di "[[Formula 1]]" e la riparazioni di esse<ref>[{{Cita web |url=http://besport.org/sport/utility/navigator/navigator-main.php?url=http://www%3A%2F%2Fwww.f1web.it/2014/10/22/lallarme%2F2014%2F10%2F22%2Flallarme-di-kobayashi-su-facebook-ditemi-se-posso-correre-con-la-sospensione-cosi/%2F&sport=Formula1 |titolo=Toppe di carbonio sulla sospensione, l'allarme di Kobayashi su Facebook: “Terrificante”] |accesso=21 luglio 2021 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160304214804/http://besport.org/sport/utility/navigator/navigator-main.php?url=http%3A%2F%2Fwww.f1web.it%2F2014%2F10%2F22%2Flallarme-di-kobayashi-su-facebook-ditemi-se-posso-correre-con-la-sospensione-cosi%2F&sport=Formula1 |urlmorto=sì }}</ref>, [[Balestra (meccanica)|balestre]], parti di motore e accessori vari.

Le industrie aerospaziale e bellica utilizzano questi materiali per componenti strutturali di stazioni di lancio e di macchine semoventi nello [[Spazio (astronomia)|spazio]], oltre che per caschi e giubbotti antiproiettile.

Nel settore dello [[sport]] i materiali compositi vengono impiegati per la costruzione di [[sci]], [[bob]], racchette da [[tennis]], [[bicicletta|biciclette]], canne da [[pesca sportiva|pesca]], ''riser'' per il tiro con l'arco e aste per il salto incon altol'asta.

In [[medicina]] si costruiscono protesi in materiali compositi.

Nel settore dell<nowiki>{{'</nowiki>}}impiantistica vengono impiegati per tubazioni e serbatoi.

I materiali compositi, per come vengono prodotti, costituiscono la base per la preparazione dei cosiddetti ''[[materiali intelligenti]]'' (''Smart Materials''): questi si ottengono annegando all'interno del composto, in fase di costruzione, delle [[fibra ottica|fibre ottiche]] che, collegate ad un [[computer]], costituiscono il [[sensore]] capace di trasformare i [[Teoria dei segnali|segnali]] in funzione degli stati di sollecitazione e di deformazione presenti. {{CitazioneSenza necessariafonte|Un esempio applicativo potrebbe essere il telaio di autovetture, costruito in materiale composito intelligente, che potrebbe essere tenuto costantemente sotto controllo da un computer di bordo. Con questo tipo di monitoraggio il pilota sarebbe in grado di valutare, in ogni momento, l'efficienza della struttura e l'insorgere di situazioni pericolose.}}

Altri esempi di materiali compositi sono rappresentati dai materiali per le pavimentazioni stradali, formate da acciaio e aggregato rinforzato di [[Cemento#Il cemento Portland|cemento portland]] o conglomerato di [[asfalto]].

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Un esempio di materiale composito di natura metallica è la [[perlite (metallurgia)|perlite]] (costituita da [[ferrite (siderurgia)|ferrite]] alfa e [[cementite]]).<ref name=Callister514/>

Anche in natura esistono materiali compositi, ad esempio il [[legno]] (costituito principalmente da [[cellulosa]] dispersa in [[lignina]]) o le [[osso|ossa]] (costituite da [[collagene]] e [[apatite]]);<ref name=Callister514>{{Cita|Callister|p. 514}}.</ref>

Il legno a sua volta può costituire da base per altri materiali compositi, quale ad esempio il [[compensato]] e il legno truciolare.

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== Note ==

<references />

== Bibliografia ==

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== Altri progetti ==

{{interprogetto|commonspreposizione=Category:Composite materialssul}}

== Collegamenti esterni ==

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* {{cita web|http://goldbook.iupac.org/CT07545.html|IUPAC Gold Book, "composite"|lingua=en}}

* {{cita web|http://www.materialicompositi.it/index.htm|www.materialicompositi.it}}

* {{cita web | 1 = http://dida.fauser.edu/dispro/carbonar/I_materiali/compositi.html | 2 = dida.fauser.edu - I materiali compositi | accesso = 3 ottobre 2010 | dataarchivio = 14 gennaio 2011 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20110114020346/http://dida.fauser.edu/dispro/carbonar/I_materiali/compositi.html | urlmorto = sì }}

* {{cita web|http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/fibre_composites/index.php|Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science (DoITPoMS), "Mechanics of Fibre-Reinforced Composites"|lingua=en}}