Materiali compositi: dal perchè alla lavorazione

ll Boeing 787 Dreamliner è unico dal punto di vista dell’utilizzo di materiali compositi per la sua realizzazione.

Progettare un materiale. Lavorarlo. Salvaguardare l’ambiente. I materiali compositi sono al passo coi tempi. Negli anni si è passati da un utilizzo in settori nobili, quali l’aerospace, a impieghi più comuni e diffusi.

Moderno. Innovativo. Poliedrico. Sono solo alcune delle definizioni associate ai materiali compositi. Si tratta certamente di materiali moderni, adatti ad una gran varietà di applicazioni, ma che hanno origini antiche: la prima citazione nota risale alla Bibbia, nell’Esodo, dove si parla degli ebrei che erano costretti a costruire mattoni senza “rinforzo” della paglia. Dunque già all’epoca degli egizi era chiaro come l’accoppiamento di opportuni materiali diversi portasse a un composto con caratteristiche completamente diverse da quelle dei singoli costituenti.

Un materiale si definisce composito quando fibre di rinforzo sono “affogate “in una matrice che ha il compito di garantirne la coesione. Il compito della scienza dei materiali è proprio quello di studiare il miglior accoppiamento per arrivare a garantire il miglior compromesso fra proprietà e costi.

Una famiglia infinita

Perché c’è un grande interesse verso i materiali compositi? Per le loro caratteristiche: peso ridotto, stabilità, resistenza alla corrosione, elevata durezza. Che consentono un impiego sia in ambiti particolari, caratterizzati da esigenze molto spinte, sia nella quotidianità. Negli anni si è infatti passati da un utilizzo in settori nobili, come l’aerospace o il racing, a impieghi decisamente più comuni, basti pensare alle moderne otturazioni dentali, ormai tutte in materiale composito ceramico, ma anche alla coltelleria, all’idraulica, per non parlare del mondo del fashion o della gioielleria, dove si sta assistendo all’abbinamento fra materiali compositi e preziosi.

Si definisce “materiale composito” un materiale, non presente in natura, risultato della combinazione di più materiali differenti, detti costituenti, separati da un’interfaccia di spessore nullo: il composto avrà, nel complesso, proprietà migliori di quelle delle singole fasi costituenti. Le due fasi che costituiscono il composito sono il rinforzo, in forma fibrosa, che è disposto in maniera opportuna all’interno dell’altra fase, la matrice. Il rinforzo è il responsabile delle caratteristiche meccaniche del materiale, mentre la matrice ha funzione di coesione, cioè tiene insieme le fibre e realizza la forma del manufatto. La direzionalità delle fibre è il cuore, perchè permette di “inventare” un materiale, partendo dalle esigenze strutturali: può nasce quindi un materiale su misura, specifico per quella data applicazione. In quest’ottica, si può quindi ritenere stravolto il concetto classico di progettazione, che prevede la scelta del materiale in funzione dell’impiego: quando è necessario, si può passare a una visione più evoluta, dove si sviluppa un materiale congruente all’utilizzo previsto. Estremizzando, si può dire che il materiale non esiste prima dell’oggetto in cui deve integrarsi, ma solo a valle della sua produzione come costituente del prodotto finito.

I materiali compositi si differenziano in base alla matrice (metallica, ceramica, polimerica) e oggi, grazie all’elevato numero di combinazioni possibili fra gli elementi, la varietà di questi materiali è molto ampia, per una gamma molto estesa di applicazioni.

Le frequenti conquiste della tecnologia meccaniche e della scienza dei materiali continuano a portare innovazioni nel mondo dei compositi, tanto che le soluzioni innovative si differenziano dal composito tradizionale, sia per le caratteristiche tecniche che per quelle funzionali.