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Materiali compositi: definizione e caratteristiche

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I materiali compositi sono materiali artificiali realizzati imitando i materiali naturali. Grazie all’utilizzo di tecnologie innovative si realizzano prodotti dalle elevate caratteristiche fisico-meccaniche senza tralasciare l’aspetto estetico.

Vediamo come vengono prodotti e quali sono i vantaggi.

materiali compositi
Cucina realizzata con materiale composito
(foto di DokaRyan –
Fonte: pixabay.com)

Cosa sono i materiali compositi

I materiali compositi sono materiali prodotti in maniera artificiale dall’uomo e sono sostanzialmente l’unione di due o più materiali distinti che messi assieme sono in grado di avere elevate prestazioni. Tali materiali infatti presi singolarmente non danno prestazioni particolari, ma messi assieme sono in grado di garantire elevate prestazioni.

Già all’inizio del XX secolo si ritorna a parlare di materiali compositi con l’arrivo delle prime resine fenoliche rinforzate con amianto e con la realizzazione nel 1942 della prima imbarcazione in vetroresina. Successivamente, dai primi anni ’60 si assiste all’introduzione delle prime fibre di boro e carbonio ad alta resistenza e allo sviluppo delle fibre aramidiche del 1973.

Ma è dalla fine degli anni ’70 che si inizia ad avere un vero e proprio studio e sviluppo dei materiali compositi anche grazie alle industrie aeronautiche ed
automobilistiche.

Come vengono prodotti i materiali compositi

Abbiamo appena visto che un materiale composito altro non è che l’unione di
due o più materiali diversi che però stanno bene assieme.

Tali materiali si distinguono in:

  • Fibre
  • Matrici
  • Additivi.

Questi sono tutti materiali con caratteristiche diverse che singolarmente non
avrebbero grande utilizzo, ma messi assieme realizzano prodotti dalle elevate prestazioni.

In epoca più recente c’è stato un enorme sviluppo e ricerca su questi materiali dovuti anche alla spinta di settori come quello Aerospaziale ed Aeronautico, per poi passare allo Sport, al Biomeccanico fino a quello del Mobile.

Attualmente in commercio si possono trovare i seguenti materiali compositi tra i più innovativi:

  • Compositi a matrice organica (per esempio laminati e plastiche rinforzate);
  • Compositi a matrice minerale (per esempio, il calcestruzzo, i compositi ceramici);
  • Compositi a matrice metallica (per esempio, composti da Al/fibre di
    Carbonio);
  • Le leghe (per esempio, acciai, leghe di Al, ottoni).

Materiali compositi a matrice organica

Tra i più diffusi ci sono sicuramente i materiali compositi a matrice organica che sono costituiti da matrici e fibre. Con l’unione di questi due materiali si riesce ad ottenere materiali dalle caratteristiche meccaniche elevatissime e massa volumica decisamente bassa.

Tutto questo comporta un miglioramento delle prestazioni meccaniche e la diminuzione della probabilità di trovare dei difetti significativi in corpi di piccole dimensioni.

Le matrici sono:

  • Resine epossidiche
  • Resine poliuretaniche
  • Resine poliammidiche
  • Resine fenoliche.

Le fibre più usate sono:

  • La fibra di vetro
  • La fibra di carbonio
  • Le fibre aramidiche (kevlar)
  • Le fibre ceramiche.

Quali sono i vantaggi

I materiali compositi hanno le fibre disposte in modo ordinato e orientato in una matrice isotropa. Questo comporta dei costi maggiori rispetto ai materiali tradizionali.

Grazie alla loro composizione, offrono però diversi vantaggi che si possono così riassumere:

  • Leggerezza
  • Resistenza
  • Rigidezza
  • Alta resistenza
  • Versatilità di progettazione (per i sandwich e i laminati)
  • Riduzione dei costi di fabbricazione
  • Riduzione del peso.

In alcuni casi quando si utilizzano materiali compositi con matrice in resina termoindurente, come ad esempio poliestere, epoxy, estere vinile e fenoli, e rinforzo in fibra di carbonio o in fibra di vetro. Questi materiali vengono generalmente usati nel settore dell’arredamento e del design e hanno ulteriori vantaggi.

In questo caso i materiali compositi sono anche:

  • Ignifughi
  • Antistatici o ad alta conducibilità elettrica
  • Pigmentati o traslucidi
  • Resistenti all’abrasione.

Come vengono prodotti e lavorati

Dietro a un materiale composito c’è molta tecnologia e innovazione per ottenere materiali con eccellenti caratteristiche fisiche e meccaniche. In base al modo con cui vengono prodotti, i materiali compositi possono costare molto oppure avere dei costi più contenuti. Se si ottengono materiali con caratteristiche fisico-meccaniche elevate e con un’alta percentuale volumetrica di fibre allora il costo sale molto,
viceversa si avranno dei costi di produzione inferiori.

Le tecnologie di fabbricazione dei materiali compositi si distinguono in materiali prodotti con tecnologie che utilizzano stampi aperti o stampi chiusi.

Inoltre le tecnologie possono essere distinte in continue o discontinue e manuali o automatizzate, a seconda delle caratteristiche che si vogliono ottenere, dalla forma, dimensione e proprietà richieste al pezzo finito e dalla necessità o meno di riproduzione dello stesso o di una produzione in continuo.

Tra i processi produttivi dei materiali compositi più diffusi ci sono i seguenti:

  • stesura manuale;
  • resin transfer molding (RTM);
  • filament winding;
  • pultrusione;
  • vacuum infusion (RIFT);
  • produzione in autoclave.

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