Materiali molto diversi
I materiali compositi differiscono dai materiali convenzionali in quanto le parti composite contengono due componenti distinti - fibre e materiali matrice (più comunemente resine polimeriche) - che rimangono separati quando combinati ma interagiscono per formare un nuovo materiale le cui proprietà non possono essere previste semplicemente aggiungendo le proprietà dei suoi componenti.
Infatti, uno dei principali vantaggi della combinazione fibra/resina è la sua complementarità. Le fibre di vetro sottili, ad esempio, hanno una resistenza alla trazione relativamente elevata ma si danneggiano facilmente. Al contrario, la maggior parte delle resine polimeriche ha una debole resistenza alla trazione ma è molto tenace e malleabile. Quando fibra e resina vengono combinate, tuttavia, possono compensare i reciproci punti deboli, creando un materiale molto più utile di qualsiasi singolo componente.
Le proprietà strutturali dei compositi derivano principalmente dal rinforzo in fibra. I compositi commerciali per i grandi mercati, come parti automobilistiche, navi, beni di consumo e parti industriali resistenti alla corrosione, sono tipicamente realizzati in fibra di vetro discontinua, orientata in modo casuale o forme di fibre continue ma non orientate.
Originariamente sviluppati per il mercato aerospaziale militare, i compositi avanzati, che offrono prestazioni migliori rispetto ai metalli strutturali tradizionali, si trovano ora nei satelliti per le comunicazioni, negli aerei, negli articoli sportivi, nei trasporti, nell'industria pesante e nel settore energetico per l'esplorazione di petrolio e gas e la costruzione di turbine eoliche.
I compositi ad alte prestazioni traggono le loro caratteristiche strutturali da materiali di rinforzo in fibra continua, orientata e ad alta resistenza -- più comunemente fibra di carbonio, fibra di arilpoliammide o fibra di vetro -- in una matrice che migliora la lavorabilità e migliora le proprietà meccaniche quali rigidità e resistenza chimica.
L'orientamento delle fibre può essere controllato, fattore che può migliorare le prestazioni in qualsiasi applicazione. Ad esempio, nelle aste delle mazze da golf composite, le fibre di boro e carbonio sono orientate ad angoli diversi all'interno dell'asta composita, in grado di sfruttare appieno le loro caratteristiche di resistenza e rigidità e resistere a carichi di coppia e molteplici forze di flessione, compressione e trazione.
Fibra di vetro
La stragrande maggioranza delle fibre utilizzate nell'industria dei compositi è di vetro. La fibra di vetro è il materiale di rinforzo più antico e più comune utilizzato nella maggior parte delle applicazioni del mercato finale (con l'industria aerospaziale che rappresenta un'importante eccezione) per sostituire i componenti metallici più pesanti.
La fibra di vetro è più pesante e meno rigida della fibra di carbonio, il secondo materiale di rinforzo più comune, ma è più resistente agli urti e ha un maggiore allungamento a rottura (cioè si allunga maggiormente prima di rompersi). È possibile ottenere un'ampia gamma di caratteristiche e livelli prestazionali a seconda del tipo di vetro, del diametro del filamento, della chimica del rivestimento (chiamata "sizing") e della forma della fibra.
I filamenti di vetro sono forniti sotto forma di fasci chiamati trefoli, che sono raccolte di filamenti continui di vetro.
Lo stoppino è solitamente un fascio di fili non ritorti avvolti come filo attorno a una grande bobina. Lo stoppino single-ended è costituito da un filo continuo di più filamenti di vetro che corrono per tutta la lunghezza del filo. Lo stoppino a più estremità contiene trefoli lunghi ma non completamente continui che vengono aggiunti o lasciati cadere in una disposizione sfalsata durante l'avvolgimento. Il filato è una raccolta di fili intrecciati insieme.
Fibra ad alte prestazioni
La fibra di carbonio, di gran lunga la fibra più utilizzata nelle applicazioni ad alte prestazioni, è composta da una varietà di sistemi precursori, tra cui poliacrilonitrile (PAN), rayon e asfalto. Le fibre precursori vengono trattate chimicamente, riscaldate e stirate, quindi carbonizzate per produrre fibre ad alta resistenza. La prima fibra di carbonio ad alte prestazioni sul mercato è stata realizzata con precursori di rayon.
Oggi, le fibre a base di poliacrilonitrile e asfalto hanno sostituito le fibre artificiali nella maggior parte delle applicazioni. La fibra di carbonio a base di padella è la più versatile. Offrono una straordinaria gamma di proprietà, tra cui un'eccellente resistenza e un'elevata rigidità. Le fibre di asfalto sono costituite da bitume di petrolio o catrame di carbone e hanno una rigidità da elevata a estremamente elevata e un coefficiente assiale di dilatazione termica (CTE) da basso a negativo. Le loro caratteristiche CTE sono particolarmente utili nelle applicazioni di veicoli spaziali che richiedono la gestione termica, come gli involucri di strumenti elettronici.
Sebbene siano più resistenti delle fibre di vetro o aramidiche, le fibre di carbonio non solo sono meno resistenti agli urti, ma subiscono anche corrosione galvanica quando entrano in contatto con il metallo. I produttori risolvono quest'ultimo problema utilizzando materiali barriera o strati di velo (solitamente fibra di vetro/epossidica) durante il processo di laminazione.
La forma base della fibra di carbonio ad alte prestazioni è un fascio di fibre continuo chiamato fascio di filamenti. Un fascio di fibre di carbonio è costituito da migliaia di filamenti continui non ritorti, il numero di filamenti rappresentato da un numero seguito da una "K", che significa moltiplicato per 1,000 (ad esempio, 12K significa che il numero di filamenti è 12,000). I mazzi possono essere utilizzati direttamente in processi come l'avvolgimento di filamenti o lo stampaggio a pultrusione oppure possono essere convertiti in nastri unidirezionali, tessuti e altre forme rinforzate.
