I materiali compositi combinano più materiali per creare soluzioni leggere, resistenti e isolanti ideali per diversi scopi.
Perché basarsi sulle capacità di un singolo materiale quando unendone due con caratteristiche compatibili si può dare vita a un nuovo materiale altamente specializzato per un determinato scopo? È questa la specificità dei materiali compositi, impiegati fin dal quarto millennio avanti Cristo per rinforzare, alleggerire o isolare strutture, con proprietà specifiche a seconda della destinazione d’uso.
Cosa sono i materiali compositi?
Un materiale composito è una combinazione di due o più materiali con diverse proprietà fisiche e chimiche che, una volta uniti, danno vita a un materiale nuovo e specializzato per svolgere un certo compito. Per esempio, per diventare più forte, rigido, leggero, impermeabile o resistente all’elettricità. Rispetto ai materiali tradizionali, dunque, consentono di amplificare una determinata caratteristica sfruttando e migliorando le proprietà dei due elementi di base.
Gli esseri umani li utilizzano già da migliaia di anni, fin da quando in Mesopotamia nel quarto millennio avanti Cristo si incollavano strisce di legno una sopra l’altra con diverse angolazioni per creare l’antenato del compensato. Più tardi in Egitto si realizzavano maschere mortuarie in lino o papiro imbevuto di gesso o materiali da costruzione rinforzati con paglia.
Dopo la rivoluzione industriale, le nuove conoscenze maturate rispetto alla chimica dei materiali consentirono di creare resine sintetiche e materie plastiche. Poco dopo arrivò la bachelite, che non conduce elettricità ed è resistente al calore. E poi, negli anni ’30, la fibra di vetro e i primi polimeri rinforzati con fibre. Negli anni ’60 arriva invece la prima fibra di carbonio.
Ogni giorno quindi vediamo all’opera diversi materiali compositi senza rendercene conto, in diversi settori in base alle caratteristiche di ognuno. Tra i più comuni ci sono:
- cemento armato, cioè calcestruzzo rinforzato da un materiale con elevata resistenza alla trazione come barre in acciaio
- calcestruzzo rinforzato con fibra di vetro
- calcestruzzo traslucido, che racchiude fibre ottiche
- legno ingegnerizzato, combinato con altri materiali economici, come nel truciolare o nel compensato
- parquet, che è composto da più pezzi di legno uniti con fini decorativi
- fibra di legno legata con cemento, dalle proprietà isolanti dal punto di vista termico e acustico
- fibra di vetro
- polimeri rinforzato con fibra di carbonio, con un elevato rapporto resistenza/peso
- cartapesta, cioè carta rilegata con un adesivo
- carta plastificata, per migliorare la durata
- schiume sintattiche, cioè materiali leggeri creati riempiendo metalli, ceramica o plastica con micro-palloncini di vetro, carbonio o plastica
I vantaggi dei materiali compositi
Il risparmio di peso è uno dei motivi principali per utilizzare materiali compositi piuttosto che materiali convenzionali per i componenti. Sebbene i compositi siano più leggeri, inoltre, possono anche essere più resistenti di altri materiali, come accade con fibra di carbonio rinforzata rispetto all’acciaio. Un altro vantaggio dell’utilizzo di un composito rispetto a un tipo di materiale convenzionale è la maggiore resistenza termica e chimica, nonché le proprietà di isolamento elettrico. A differenza dei materiali convenzionali, i compositi possono infatti possedere sommate molteplici proprietà che raramente si trovano in un singolo materiale tradizionale.
A seconda della combinazione e dello scopo, dunque, è possibile ottenere materiali compositi dalle straordinarie capacità quanto a economicità, flessibilità progettuale, resistenza ad una vasta gamma di agenti chimici, leggerezza, durabilità, isolamento termico, acustico ed elettrico, elevata resistenza agli urti, risparmio energetico o aumento delle prestazioni. Caratteristiche che li rendono ideali per applicazioni nel campo edile e delle infrastrutture, di ingegneria elettrica, nelle strutture aerospaziali, nei trasporti e non solo.
Dove si utilizzano i compositi?
L’industria dei trasporti, per esempio, ne ha fatto ampio uso. Il peso leggero e l’elevata resistenza e la capacità di fabbricare facilmente forme aerodinamiche hanno portato a costi di carburante inferiori. La mancanza di corrosione dei materiali e il basso costo di manutenzione, che hanno ridotto i costi di proprietà e allungato la vita di molte parti.
Nella progettazione e costruzione di edifici è utile la loro facilità di fabbricazione, la leggerezza, elevata resistenza, bassa manutenzione e funzionalità, nonché le potenzialità decorative. I tempi di nuova costruzione sono stati ridotti ed è stata aggiunta una maggiore flessibilità di progetto.
I materiali compositi hanno inoltre influenzato l’industria nautica, sempre grazie all’assenza di corrosione, alla bassa manutenzione e alla flessibilità del design o alla facilità di fabbricare articoli molto grandi e resistenti in un unico pezzo. Oltre alle imbarcazioni da diporto, sono state fabbricate grandi imbarcazioni militari e commerciali e scafi di navi, ma anche componenti.
I compositi hanno avuto un grande impatto anche nel settore degli articoli sportivi. Sostituiscono infatti i materiali tradizionali in aste per mazze da golf, canne da pesca, racchette da tennis, attrezzature da sci, applicazioni nautiche e molti altri prodotti. Nella maggior parte dei casi, il cambio di materiale si è tradotto in un miglioramento delle prestazioni o della sicurezza per i partecipanti.
Nei mercati aerospaziale e militare incontrano invece la necessità di strutture più forti, più rigide e più leggere, più durevoli e con meno manutenzione richiesta. Oggi costruire veicoli e strutture di questo genere costa meno e richiede meno parti. Grazie ai materiali compositi è stato possibile formulare sistemi avanzati altamente tecnologici, dagli aerei militari ai motori a razzo, ugelli e ogive, dalle cupole radar, pale del rotore, eliche alle carenature.
