COMPOSITI, MATERIALI
COMPOSITI, MATERIALI
. I m. usati nelle varie applicazioni non hanno sempre l'insieme dei requisiti desiderabili, così alcuni sono molto duri, ma troppo fragili, altri presentano elevate resistenze a compressione ma non a trazione o a flessione, ecc. In molti casi si sopperisce a queste mancanze accoppiando m. diversi, cercando così di sfruttare le proprietà positive di ciascuno di essi. Basta pensare al cemento armato dove il ferro supplisce con le proprie caratteristiche alle deficienze del calcestruzzo (che possiede scarse caratteristiche di resistenza a flessione e trazione, ma elevate a compressione), ai pneumatici per auto dove si accoppiano m. come la gomma, il nero fumo, le fibre tessili, i fili d'acciaio per giungere a un manufatto che presenti caratteristiche accettabili per soddisfare le varie esigenze d'impiego.
Esempi significativi si hanno anche fra i m. naturali; così il legno risulta sostanzialmente costituito da fibre di cellulosa, flessibili, elastiche, cementate da una matrice di lignina molto più rigida.
Il cemento armato, i pneumatici, i m. multistrato, i metalli placcati, il legno, i plastici rinforzati, ecc., sono tutti m. compositi.
L'accoppiamento può avvenire fra fasi nettamente distinte o distinguibili come il calcestruzzo e i tondini di ferro, le materie plastiche e le fibre di vetro (rinforzanti); in altri casi però tali fasi sono meno nettamente distinguibili o costituiscono addirittura delle "impurezze" disperse in una matrice come si verifica, per es., in molte leghe metalliche.
Le proprietà del m. c. dipendono da quelle dei componenti; vale in questo senso, con buona approssimazione, la regola del miscuglio, cioè le proprietà del m. c. risultano uguali alla somma di quelle dei singoli componenti ciascuna moltiplicata per la frazione di volume con la quale il componente entra a formare il prodotto finale.
Così il modulo di elasticità, Ec, di un m. c. del tipo plastico rinforzato con fibre è, in prima approssimazione, esprimibile con una relazione del tipo: Ec = Ef Vf + Em Vm dove Ef, Em sono i moduli di elasticità rispettivamente delle fibre e della matrice e Vf e Vm le frazioni volumetriche delle due fasi presenti nel prodotto composito. Lo stesso può ripetersi per molte altre proprietà dei m. compositi.
Si possono considerare tre categorie di m. c.: gli agglomerati, i rivestimenti superficiali, i m. rinforzati; questi ultimi si possono a loro volta suddividere in funzione della natura della matrice (metallica, vetrosa, ceramica, polimerica, ecc.), o in funzione della lunghezza delle fibre (a fibre discontinue o continue).
Materiali agglomerati. - Molti prodotti usati nella tecnica risultano dall'agglomerazione di minute particelle tenute insieme a formare il prodotto finito. Si può citare il caso del calcestruzzo dove gl'inerti (sabbia e ghiaia) di opportuna granulometria sono fra loro uniti da un cemento a formare un prodotto monolitico facile da mettere in opera e da foggiare nelle forme più svariate. Analogamente le mole abrasive risultano da grani di m. duro, abrasivo, tenuti insieme in forme diverse da un legante vetroso o resinoso; molte forme di colata risultano costituite da granuli di sabbia collegati da un legante resinoso.
I granuli possono essere tenuti insieme anche mediante sinterizzazione, cioè un'incipiente fusione dei bordi dei granuli stessi così da formare un velo di liquido che avvolge le particelle unendole saldamente.
Nelle porcellane, altro m. c., i granuli cristallini refrattari di quarzo, di mullite, ecc. sono collegati da una fase vetrosa; nelle vetro-ceramiche la fase cristallina si origina da quella vetrosa durante la cottura. Le proprietà di questi m. dipendono dal rapporto fra le due fasi e dalla loro natura e struttura.
Rivestimenti superficiali. - Molto spesso m. facili da lavorare, da foggiare non hanno poi caratteristiche adatte di durezza, di resistenza agli agenti chimici o atmosferici; a volte poi l'adozione di m. resistenti chimicamente per preparare strutture voluminose, pesanti può comportare un costo troppo elevato.
Si può risolvere il problema accoppiando due m. di natura diversa o facendo variare la composizione della zona superficiale. Nel primo caso si hanno i placcati; per es., si possono ottenere lamiere di acciaio rivestite da un sottile strato di acciaio inossidabile; nel secondo caso si può variare la natura della superficie del manufatto già preparato depositandovi uno strato di natura diversa (per es., smalto su acciaio) o creandolo in situ con trattamenti di carburizzazione, di ossidazione anodica (alluminio), di azoturazione o infine rivestendolo con semplici vernici protettive.
Materiali rinforzati. - Costituiscono il gruppo di m. c. di più recente sviluppo e dalle prestazioni più interessanti. Esempi di m. di questo tipo sono noti da tempo; basta pensare alle leghe di alluminio, le cui caratteristiche di durezza vengono notevolmente incrementate da un trattamento termico che provoca la precipitazione di una fase dispersa. Gli effetti indotti con trattamenti termici hanno però il difetto di valere solo in certi intervalli di temperatura perché il riscaldamento, favorendo la dissoluzione nella matrice della fase dispersa, annulla gli effetti del trattamento.
Si possono ottenere buoni risultati incorporando nel metallo particelle di ossido refrattario, insolubile in esso anche a caldo. È il caso dei compositi di alluminio noti col nome di SAP (v. alluminio: Alluminio sinterizzato, in questa Appendice).
Un miglioramento ancora maggiore delle caratteristiche di molti m., metallici o no, si ottiene incorporando in essi sostanze a carattere fibroso. Le fibre metalliche a base di ossidi metallici, di carburi, ecc. sono del tipo dei cosiddetti wiskers, cioè sostanzialmente dei monocristalli di forma allungata di diversi mm e del diametro di qualche μm, privi di dislocazioni, con struttura quindi tale da assicurare carichi di rottura molto elevati. Incorporando fibre monocristallo, per es. di ossido di alluminio, in un metallo duttile si ottengono compositi con resistenza notevole fino a temperature elevate; in questi accoppiamenti occorre però scegliere opportunamente i due materiali per evitare il verificarsi fra di essi di reazioni chimiche.
Il costo di questi metalli rinforzati con fibre monocristallo è attualmente molto elevato; essi vengono usati solo per impieghi speciali (astronautica, ecc.).
Particolare interesse hanno fra questi m. quelli risultanti da fibre di boro e matrice di alluminio che risultano stabili fino a temperature. di 400 °C circa; si possono preparare interponendo le fibre orientate fra due strati di alluminio e laminando il tutto nel senso normale alla direzione delle fibre, oppure spruzzando alluminio fuso su fibre di boro; questo sistema consente di ottenere manufatti di forma anche complessa. Leghe di titanio si possono usare come matrice per temperature più elevate.
Molto diffusi sono i m. rinforzati costituiti da matrici polimeriche e fibre di vetro; per es., i poliesteri rinforzati, largamente usati nella costruzione di imbarcazioni, di parti di carrozzeria di auto, di m. da copertura, di contenitori, nelle costruzioni aeronautiche, ecc.
Nelle resine si possono incorporare anche altre fibre (di carbonio, di boro, ecc.), molto più costose, ma che per impieghi speciali consentono il raggiungimento di caratteristiche migliori.
Con resine e fibre di vetro (o di boro) si possono ottenere resistenze a trazione, moduli elastici, ecc. dell'ordine di quelli posseduti da un normale acciaio, ma poiché tali m. sono molto più leggeri dell'acciaio il vantaggio appare evidente considerando le caratteristiche specifiche che risultano 4 ÷ 5 volte superiori a quelle dell'acciaio, come indicano i dati della tabella.
Bibl.: R. H. Sonneborn, Fiberglas reinforced plastics, New York 1954; R. F. Winters, Newer engineering materials, Londra 1969; Association national de la recherche technique, Les materiaux composites d'aujourd'hui et de demain, Parigi 1972; I. Crivelli Visconti, Materiali compositi - Tecnologie e progettazione, Milano 1975.