Massimo Clarke: "I materiali compositi" / Terza parte

L'arrivo delle fibre aramidiche

Le fibre aramidiche sono entrate in scena grazie alla DuPont, grande azienda chimica americana, che ha iniziato a commercializzarle nel 1971. Quella di gran lunga più nota e più impiegata è stata denominata Kevlar e viene prodotta in più versioni. I punti di forza sono la ridotta densità (inferiore del 40% rispetto alla fibra di vetro e del 20% circa rispetto a quella di carbonio), l’elevata resistenza a trazione e la notevole tenacità. Per queste fibre gli ultravioletti tendono a essere nocivi nel tempo e a ciò si pone rimedio utilizzando adatti rivestimenti superficiali. Il kevlar 29 viene impiegato nei materiali d’attrito e il 129 si usa per realizzare funi e giubbotti antiproiettile. Nei settori automotive e aeronautico viene maggiormente utilizzato il kevlar 49; lo troviamo, tra l’altro, nelle cinghie e nei pneumatici. Altri impieghi importanti di queste fibre si hanno nelle canoe da competizione, nelle vele per imbarcazioni, negli elmetti militari e nelle protezioni balistiche.
Larga diffusione hanno i compositi ibridi, realizzati utilizzando fibre diverse, in grado di “coniugare” al meglio le caratteristiche di entrambe. Si possono così impiegare tessuti costituiti, ad esempio, da fibre di carbonio e di kevlar. Oppure si possono utilizzare due o più strati sovrapposti di tessuti o di nastri, ciascuno dei quali è realizzato con una fibra differente. I compositi ibridi si usano tra l’altro per le scocche delle auto di Formula Uno e per le pale delle eliche degli elicotteri.

Come si producono

Per produrre i componenti in materiale composito si impiegano tecnologie particolari. In genere si utilizzano stampi nei quali si posizionano gli strati di tessuto impregnati di resina. Quest’ultima nella grande maggioranza dei casi è epossidica. Per fare avvenire la polimerizzazione si fa ricorso a un indurente, ovvero a un catalizzatore, che va mescolato con la resina nella corretta proporzione. La resina così attivata deve essere impiegata rapidamente (spesso addirittura nel giro di qualche decina di minuti). Si tratta di una sequenza di operazioni decisamente critica e davvero specialistica. Per semplificare le cose alcune ditte producono dei tessuti preimpregnati con resina attivata, detti prepregs, assai pratici da impiegare, che in genere vanno tenuti in freezer. In ogni caso si tratta di prodotti, forniti in rotoli, che devono essere impiegati entro un determinato periodo, dopo il loro acquisto; in altre parole, hanno una ben precisa “shelf life”, chiaramente indicata dal fornitore.
Benché ci siano dei prodotti che polimerizzano a temperatura ambiente, nella maggior parte dei casi il ricorso al calore è fondamentale. Anche l’applicazione di una certa pressione è in genere necessaria; per questa ragione, quando si tratta di realizzare componenti dalle elevate caratteristiche meccaniche e della massima affidabilità, si fa ricorso a una autoclave.

Dopo avere posizionato e sovrapposto come necessario i vari strati di tessuto (assai meno frequentemente si impiegano dei feltri, detti mats) occorre procedere in modo da ottenere la totale impregnazione delle fibre da parte della resina, da espellere completamente l’aria e da eliminare la resina in eccesso. Per fare questo si utilizzano diffusamente i vacuum bags, sacchi o teli in nylon o in PVC nei quali si crea una forte depressione mediante una pompa aspirante. In questo modo si “sfrutta” la pressione atmosferica, che va a premere uniformemente sul pezzo prima e durante la polimerizzazione della matrice. L’impiego di una autoclave si rivela assai più efficace e consente di fare ricorso a pressioni anche elevate, effettuando inoltre l’intero processo con un accurato controllo dei parametri in gioco.
Un tipico ciclo di “curing” (ovvero di polimerizzazione e reticolazione della matrice) ha una durata di alcune ore e, nella fase principale, prevede una pressione dell’ordine di 5-8 bar e una temperatura di 140-180 °C.
In aggiunta alla polimerizzazione in autoclave, a quella alla pressa, con uno stampo e un controstampo, a quella in forno a pressione atmosferica (con i soli vacuum bags) e alla formatura manuale (wet lay-up), vanno segnalate due importanti tecnologie sviluppate specificamente per la realizzazione di componenti in composito. La prima è detta filament winding e prevede l’avvolgimento su di un mandrino rotante di filamenti o di nastri che escono da una testa traslante. Largamente automatizzato, questo processo viene impiegato per realizzare componenti come bombole, alberi cavi e pale di eliche per elicotteri. La seconda è la pultrusion, una estrusione per trazione, che si effettua in macchine automatiche e consente la realizzazione di laminati e profilati dalle ottime caratteristiche.