Materiali compositi

Cosa sono i materiali compositi?

Per materiali compositi avanzati si intendono i materiali costuiti da fibre di varia natura, come il vetro, il carbonio, il boro, ecc., che vengono inglobate in una matrice costituita da resina, ad esempio poliestere, vinilica, epsossidica, fenolica.

La funzione principale di questa resina è quella di garantire la coesione tra le fibre sia che esse appartengano ad uno stesso strato, sia che facciano parte di uno strato adiacente.

Un materiale composito è costituito quindi essenzialmente da una matrice e da fibre di rinforzo. Nella zona di transizione fibra-matrice, s'identifica però un terzo componente, molto importante per il comportamento del materiale composito, l'interfaccia, che ha come funzione principale quella di accoppiare la fibra alla matrice, ma nello stesso tempo consente i trasferimenti degli sforzi tra un elemento ed un altro.

Questi materiali di recente invenzione mirano a diventare sempre più tecnologici e in grado di raggiungere un buon compromesso tra resistenza, peso, e costo, in questo modo le prestazioni offerte migliorano notevolmente, deterinando sicuramente anche un risparmio energetico notevole rispetto ad un comune materiale da costruzione.

Tipi di materiali compositi

Tra i primi materiali compositi che sono stati utilizzati in edilizia ci sono alcuni materiali metallici come le leghe di alluminio e titanio, molto costose e molto complesse da assemblare. Successivamente c'è stato l'utilizzo di altri materiali anche di natura differente dal metallo come il litio, il berillio, il boro e il carbonio. I primi due risultano molto costosi, quindi troverebbero una scarsa diffusione in campo edile e quindi la maggiore produzione si è concentrata sull'utilizzo di boro e carbonio. Specialmente il carbonio ha trovato un'ampia diffusione in tutti i campi proprio per le sue ottime caratteristiche e per la sua facile reperibilità in natura.

Generalmente nei materiali da costruzione il carbonio si presenta sottoforma di fibre, che dovendo essere impiegate per costruzioni strutturali devono avere come principale caratteristica un elevato valore di tensione di rottura a trazione e di modulo di elasticità longitudinale considerandolo sia in valore assoluto sia in rapporto alla loro densità.

I costruttori tendenzialmente cercano di realizzare materiali compositi i cui elementi siano in grado di unire leggerezza e resistenza.

La resistenza delle fibre utilizzate, cambia ovviamente da materiale a materiale, e generalmente dipende dal loro processo produttivo, ad esempio le fibre di carbonio si classificano in varie categorie, abbiamo le fibre di carbonio ad alta resistenza, fibre ad alto modulo di elasticità, fibre intermedie.Importante ricordare che i materiali compositi costituiti da fibre, godono di queste caratteristiche, quali elasticità e resistenza solo lungo la direzione longitudinale alla fibra stessa, che tendono ad annullarsi quando il carico o lo sforzo a cui è sottoposto il materiale risulta essere in direzione perpendicolare alle fibre stesse.

Quando si progettano elementi in edilizia costituiti da materiale compositi è di fondamentale importanza studiare l'ottimale orientamento delle fibre, in rapporto ai carichi esterni in modo tale da riuscire ad ottenere la massima resistenza che il materiale in uso ci può offrire.

In commercio è possibile trovare quindi fibre di diametro compreso tra 6 e 10 micron ciascuna, queste fibre si trovano sottoforma di prodotti differenti come ad esempio fili composti da fibre attorcigliate fra loro per garantirne la coesione, cavi composti da un numero di fibre compreso fra 10000 e 15000, attorcigliate fra loro in maniera molto leggera, roving, ovvero un insieme di fasci compatti di fibre, che di solito non sono attorcigliate.

Un esempio molto diffuso di roving è quello realizzato con fibre di vetro. Unidirezionale composto da più fili allineati fra loro in modo da formare un piano.

I cavi sono una tipoligia molto diffusa tra i materiali compositi, ma in commercio è possibile trovare anche dei veri e propri tessuti realizzati con materiali compositi. Questi tessuti sono costituiti generalmente da una fibra e da una matrice. Una delle loro caratteristiche è di essere molto resistenti, inoltre i tessuti si differenziano tra loro per il tipo di fibre utilizzate, per il numero di fili e per il tipo di tessitura. I tessuti vengono generalmente utilizzati per creare strati di isolamento sia termico che acustico, sia negli elementi divisori interni ed esterni, sia per quanto riguarda gli elementi orizzontali come solai interpiano e solai di copertura.

I tessuti di materiali compositi hanno un'ampia diffusione, poiché allo stesso tempo sono molto facili da lavorare e garantiscono una migliore e più uniforme distribuzione delle sollecitazioni, infatti questi tessuti vengono impiegati soprattutto quando l'elemento che si sta costruendo è soggetto a sollecitazioni provenienti da diverse direzioni, per questo motivo dovrà avere una buona resistenza in ogni direzione.

Ovviamente i tessuti, che vengono anchèessi definiti materiali compositi, presentano differenti tessiture ognuna delle quali ha differenti caratteristiche, come la tessitura piana che risulta poco deformabile, ma è quella che garantisce una migliore distribuzione delle sollecitazioni.
Poi c'è quella diagonale che ha un'ottima deformabilità e una stabilità inferiore rispetto quella piana. Innumerevoli sono le trame, queste sono quelle generalmente più diffuse.

Generalmente quando questi tessuti vengono utilizzati in campo edile come materiali compositi prevedono una immersione in una soluzione di resina che presenta determinate caratteristiche e contribuisce a dare compattezza all'elemento. Questi fogli di tessuto composito e resina se non fanno parte di pacchetti possono anche essere sovrapposti tra loro così da realizzare spessori maggiori, ogni singolo foglio ha uno spessore di 0.2 mm circa talvolta per aumentare lo spessore e la resistenza si fa ricorso all'inserimento di fogli di carbonio o di fibra di vetro, di alluminio ecc.

Talvolta i materiali compositi possono essere realizzati con elementi base di origine naturale o provenienti dal riciclaggio di altri materiali, che prendono il nome di materiali biocompositi.