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Tessuto di filamenti in fibra di carbonio
Tessuto di filamenti in fibra di carbonio
Un materiale composito è, nella sua accezione più generale, qualunque tipo di materiale caratterizzato da una struttura non omogenea, costituita dall'insieme di due o più sostanze diverse, fisicamente separate e dotate di proprietà differenti.
Composizione [modifica]
L'idea di accoppiare più materiali per ottenere un materiale con caratteristiche più favorevoli di ciascuno dei componenti è molto antica: un materiale da costruzione molto usato dai nostri avi era una mescola di paglia e fango, la cui evoluzione nel tempo ha portato alla combinazione di calcestruzzo e tondini di ferro chiamata cemento armato. Anche in natura esistono materiali compositi (ad esempio il legno o le ossa); anche la carta o il legno truciolare sono materiali compositi.
Nella pratica si attribuisce il nome di composito al materiale costituito da:
* una fase omogenea, detta matrice. Essa ha il compito di amalgamare e tenere unita la fase dispersa e solo in minima parte quello di sopportare il carico esterno. Nella grande 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 performances al salire della temperatura. Può essere costituita da:
o una materia plastica (termoplastici come il Nylon® e l'ABS o termoindurenti come le resine epossidiche) o le resina poliestere;
o un metallo (generalmente alluminio, o titanio e loro leghe, più raramente magnesio o altri);
o un materiale ceramico, generalmente carburo di silicio o allumina.
* una fase dispersa, detta rinforzo o carica. Essa è una fase discontinua generalmente fibrosa, ma a volte anche particellare, che viene appunto dispersa in varie modalità all' interno della matrice. Essa ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno applicato al materiale. Può essere costituita da:
o fibra di vetro
o fibra di carbonio
o fibre ceramiche
o fibre aramidiche, come il Kevlar®
o fibra di basalto
Una fibra di carbonio a confronto con un capello umano
Una fibra di carbonio a confronto con un capello umano
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 fibre 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.
Il fatto che si utilizzino materiali fibrosi come rinforzo fa in modo che spesso i materiali compositi presentino una spiccata anisotropia. Questa anisotropia non si riscontra (o per lo meno è molto minore) nei compositi particellari, nella misura in cui dette particelle sono equiassiche. L'anisotropia, se controllata, può costituire un vantaggio: il materiale viene rinforzato in quelle direzioni dove si sa verrà caricato e dunque le prestazioni vengono ottimizzate (caso dei compositi a fibre lunghe o continue). Se, invece, è dovuta a fenomeni più difficilmente controllabili (flusso plastico del materiale in uno stampo ad esempio, caso dei compositi a fibre corte) diviene problematica perché l'orientazione delle direzioni di massimo rinforzo difficilmente coincide con quella desiderata.
Applicazioni [modifica]
Le proprietà meccaniche dei materiali compositi risultano in continua crescita e investono ormai tutti 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, barche, canoe, pannelli di carrozzeria, telai di "Formula 1", 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, oltre che per caschi e giubbotti antiproiettile.
Nel settore dello sport questa tecnologia viene utilizzata per sci, bob, racchette da tennis, biciclette, canne da pesca, aste per il salto in alto ecc.
In medicina si costruiscono protesi di ogni tipo.
Nel settore dell' impiantistica vengono impiegati per tubazioni e serbatoi.
I materiali compositi, per come vengono prodotti, costituiscono infine la base per la preparazione dei cosiddetti materiali intelligenti (Smart Materials): questi si ottengono annegando all'interno del composto, in fase di costruzione, delle fibre ottiche che, collegate ad un computer, costituiscono il sensore capace di trasformare i segnali in funzione degli stati di sollecitazione e di deformazione presenti. Un esempio applicativo di notevole interesse potrebbe essere il telaio di autovetture, costruito in materiale composito intelligente, che può 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.
Limitazioni [modifica]
I limiti che rallentano la diffusione su larga scala dei materiali compositi sono rappresentati dalla loro scarsa resistenza superficiale all'usura ed ai carichi concentrati, al costo elevato ed a diversi problemi di smaltimento e riciclaggio.
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