Compositi e fibre di carbonio: innovazioni in campo aerospaziale

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Introduzione 
 
I materiali compositi sono ottenuti attraverso la combinazione, di due o più 
materiali, diversi tra di loro, e possiedono proprietà superiori rispetto a 
quelle dei singoli componenti, che rimangono, tuttavia, distinguibili sia a 
livello chimico, sia a livello strutturale.  I compositi hanno assunto 
un ’importanza assai rilevante in ambito tecnologico, in quanto è possibile 
progettarli in maniera tale da soddisfare anche specifiche altamente 
stringenti. Essi trovano largo impiego nei settori più disparati, da quello 
automobilistico, a quello medico. Negli ultimi decenni, inoltre, grazie a studi 
approfonditi e esperimenti mirati, questa tipologia di materiali ha portato 
grandi innovazioni soprattutto nel campo aerospaziale. La tesi si compone di 
tre capitoli. Un primo capitolo sarà dedicato interamente ai materiali 
compositi. Dopo un breve excursus storico, si passerà alla definizione e alla 
classificazione di questi.  Verranno divisi per tipologie e verranno poste sotto 
esame le loro proprietà. Un approfondimento riguarderà la meccanica dei 
materiali compositi. Verranno valutate le differenze tra macromeccanica e 
micromeccanica e verranno analizzate le varie proprietà meccaniche di 
questi materiali, da un punto di vista analitico, in casi differenti. Il secondo 
capitolo sarà incentrato principalmente sulle fibre di carbonio.  Nel dettaglio 
verranno esplicate le tecniche di produzione e le fibre di carbonio saranno 
classificate in base al tipo di lavorazione a cui vengono sottoposte. 
Successivamente si farà accenno alle loro proprietà e verrà analizzato, 
dunque, il comportamento e le caratteristiche che queste fibre assumono 
nella progettazione di determinati materiali compositi. Il terzo ed ultimo 
capitolo concernerà l ’utilizzo e l ’impiego di compositi in fibra di carbonio in
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campo aerospaziale. Infine, come case studio, verranno analizzate alcune 
soluzioni adottate in ambito aerospaziale, ambiente in cui questi materiali si 
trovano a operare in condizioni critiche. Si farà un accenno ai compositi in 
grafite a matrice epossidica in alcune applicazioni e dopo aver delineato le 
problematiche che i materiali possono incontrare, operando nello spazio, 
nello specifico nella progettazione di elementi degli Space Shuttle.
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Capitolo 1 
 
Materiali Compositi 
 
1.1 Generalità 
 
Al giorno d oggi, i materiali compositi rappresentano una opportunità 
supplementare nel settore dei materiali. Si vanno ad aggiungere ad un 
campo di possibilità  in cui essi,  unitamente ad altri tipi di materiali e 
sfruttando i processi di trasformazione e di produzione, danno luogo a 
quella che viene definita una iperscelta [1]. Al progettista, dunque,si apre 
davanti uno scenario nel quale non è più vincolato da scelte obbligate, ma si 
trova di fronte alla concorrenza di diversi materiali con proprietà e 
caratteristiche proprie che, soltanto da uno studio approfondito e da 
sperimentazioni mirate, è possibile determinare con esattezza. La riscoperta 
dei materiali compositi ha portato a incredibili risultati e, dagli anni 90 in 
poi, il ritrovato interesse per questa tipologia di materiali ha giovato a diversi 
settori industriali. Negli anni, l utilizzo dei compositi ha comportato sviluppi 
innovativi e la loro produzione è aumentata in maniera esponenziale. La 
scelta di questi materiali e la sperimentazione condotta su di essi è la causa 
primaria delle  profonde variazioni che la loro natura ha subito ed è la 
conseguenza della specializzazione dell ingegnere in settori di applicazione 
diversificati e specifici.
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 I materiali compositi vengono sviluppati con lo scopo primario di aiutare il 
progresso tecnologico e di soddisfare le esigenze che i materiali tradizionali, 
presi singolarmente, non sono più in grado di sostenere. 
 
 
1.1.1 I compositi nella Storia 
 
Sin dall antichità, i compositi trovarono un largo impiego soprattutto 
nell edilizia. Per esempio materiali da costruzione furono perfezionati 
aggiungendo fasi fibrose [2]. L utilizzo di rinforzi fibrosi è assai vecchio, 
tant è che si trovano riferimenti anche nella Bibbia. È infatti noto che 
nell antico Egitto si era soliti miscelare al solo fango o all argilla, che 
rendevano le strutture poco resistenti,  della paglia (Fig. 1.1). Così facendo si 
creavano dei mattoni da costruzione molto più performanti, con una 
resistenza a trazione maggiore. Questi tipi di mattoni trovano ancora oggi 
largo impiego in Africa e in America Centrale. 
 
 
 
 
 
 
Fig.1.1 Raffigurazione della produzione dei 
mattoni da costruzione, risalente al 600 a.C. [2]
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Si trova riscontro di materiali compositi anche al tempo delle civiltà sumere e 
babilonesi, che occupa quasi 3000 anni di storia. È l epoca in cui nacquero le 
cosiddette Ziqqurat (Fig. 1.1.1), grandi esempi di realizzazioni 
architettoniche     adibite al culto. La grandezza e l eleganza di codeste 
costruzioni, oltreché dal principio  utilizzato per la produzione dei mattoni  ( 
fango più paglia), era assicurata anche dal sistema adottato per rinforzare il 
terreno tramite inclusioni (armature) [3], che garantiva una maggiore 
stabilità e resistenza. Ancora oggi, esistono edifici sopravvissuti a secoli di 
intemperie e cataclismi e ancora in buono stato di salute. Alcuni di essi 
fungono da testimonianza della grandezza e della magnificenza dell Antica 
Roma. L evoluzione delle prime civiltà romane passò soprattutto attraverso a 
grandi cambiamenti nell edilizia e nell urbanistica. Ed è in questo contesto 
che si svilupparono diverse tipologie di materiali compositi. Il calcestruzzo 
utilizzato dagli antichi romani, chiamato Betunium ne è l esempio lampante. I 
primi esempi di calcestruzzo romano nacquero con l uso della calce. 
Inizialmente gli antichi costruttori bruciavano la pietra calcarea, ottenendo la 
calce viva che veniva mischiata con acqua per creare l impasto.  
Fig. 1.1.1 Ziqqurat di Ur, eretto intorno al 
2100 a.C. nell'attuale Iraq [3]
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Successivamente, il calcestruzzo fu 
perfezionato con un mix di calce e 
cenere vulcanica, che lo rendeva molto 
più sostenibile di quello usato al giorno 
d oggi [4]. La cenere vulcanica 
(pozzolana) reagiva con la calce, 
creando una malta che veniva resa ancor 
più resistente grazie all impiego di pezzi 
di mattoni e roccia vulcanica [5]. Utilizzato come rinforzo in murature e per 
la costruzione di grandi monumenti, questo tipo di calcestruzzo veniva 
impiegato talvolta  per riempire i cassettoni delle cupole (Fig. 1.1.2). Le 
analisi e le osservazioni, condotte su questo lontano parente del calcestruzzo, 
hanno evidenziato una elevata resistenza a fatica, testimoniata anche dalla 
longevità di alcune importanti costruzioni a noi pervenute. Lo scrittore ed 
architetto romano Vitruvio (80 a.C. circa 15 a.C. circa) ,nel suo De Architectura, 
espone i passaggi per elaborare il calcestruzzo e in particolare descrive la 
tecnica dell opus caementitium (Fig. 1.1.3) [6]. Questa tecnica ha permesso la 
costruzione di grandi opere murarie (Fig.1.1.3) e di acquedotti [7]. 
 
 
Fig. 1.1.2  La cupola del Pantheon, a Roma. 
Fig. 1.1.3  Nucleo in opera cementizia di una tomba 
sulla via Appia antica, a Roma [5]
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 Le proprietà dei compositi furono sfruttate 
anche in campo bellico. Infatti il moderno Arco 
Composito, utilizzato nella disciplina di tiro 
con arco, ha origini millenarie. I primi esemplari 
di questo arco si diffusero sicuramente con 
l avvento dell Età del Bronzo  (2300 a.C.  700 
a.C.) [8] e in una vasta area che comprendeva 
Asia, Europa mediterranea e Nord Africa. 
Inizialmente era un arma rudimentale, composta da diversi materiali come 
corno  di animale (nelle parti sottoposte a compressione) e legno, uniti da 
colla e tendini di origini animale. Fu perfezionato in alcune zone e fu 
replicato in diverse varianti, col tempo (Fig. 1.1.4) [8].   
Nel XIX secolo le murature iniziarono ad essere rinforzate tramite barrette di 
ferro. Esperimenti condotti in questo senso portarono alla produzione del 
cemento armato. In questo periodo fu prodottola il primo esempio di resina 
fenolica, rinforzata con amianto. Fino ad arrivare al XX secolo , in cui la 
riscoperta di questi materiali portò all utilizzo sempre più assiduo di 
plastiche, negli anni 40,  per impiego aeronautico e per la costruzione di 
apparecchiature elettriche, e di fibre di carbonio e di boro, tra gli anni 50 e 
 60, con applicazioni sempre in campo aeronautico. [9] 
Risulta quindi chiara l importanza, anche storica, dei materiali compositi e 
del perché si continui a sottoporli a sperimentazioni mirate, al fine di 
migliorarli. Essi rappresentano attualmente la migliore risorsa i e rispondono 
alle esigenze, provenienti  dai diversi settori industriali, grazie alle loro  
proprietà meccaniche  e alla loro stabilità elevata. 
 
 
 
Fig. 1.1.4  Ricostruzione dell’ arco 
cinese, della dinastia Ming. Variante 
dell'arco mongolo [8]
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1.1.2 Cosa sono i materiali compositi? 
 
La vastità e la complessità dei materiali compositi rendono incerta anche la 
definizione di questa categoria di materiali. Infatti non esiste una definizione 
universalmente riconosciuta di materiali compositi [9]. Secondo una 
definizione generale, un materiale composito è un tipo di materiale multifase 
composto da diverse parti, o costituenti, la risultante di una sorta di mix 
tridimensionale. In ambito progettistico, nel quale i costituenti possono 
appartenere ad un intervallo dimensionale micro-macro, per materiale 
composito è valida anche la seguente definizione: 
 
 Un materiale composito è un sistema di materiali, composto da una miscela o 
combinazione di macro o microcostituenti, che differiscono nella forma e nella 
composizione chimica e che essenzialmente sono insolubili l ’uno nell ’altro [9] 
L importanza che assume un materiale 
composito, dal punto di vista tecnologico, 
risiede proprio nel fatto che, essendo una 
combinazioni di diverse parti, le sue 
proprietà meccaniche e fisiche risultano 
essere superiori rispetto a quelle 
possedute dai singoli materiale 
costituenti. Un materiale composito è  composto  dalla matrice, da un 
materiale di rinforzo e dall interfaccia, ovvero la zona di contatto che si crea 
tra la matrice e il rinforzo (Fig. 1.1.5 [10]). La matrice ingloba il materiale di 
rinforzo, proteggendolo da fattori esterni.  
 
Fig. 1.1.5 Schema di struttura di un materiale 
composito. [10]
7 
 
Evita che esso si consumi e che su di esso vengano applicate azioni di taglio. 
Il materiale di rinforzo viene aggiunto sottoforma di fibre, che vengono 
classificate come fibre lunghe, fibre corte o particelle (Fig. 1.1.6). [1] . Sia nel 
caso di fibre, sia nel caso di particelle, il rinforzo può essere disposto in modo 
del tutto casuale, o secondo una direzione preferenziale. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nella trattazione dei materiali prendono campo due concetti molto 
importanti, sui quali si fonda la meccanica: elasticità e isotropia. Per 
isotropia (c) si intende l invarianza di relazioni costitutive in base alla scelta 
arbitraria di un sistema di riferimento. In questo senso le proprietà 
meccaniche di un punto non variano al variare della direzione secondo cui 
esse vengono considerate. Tuttavia, quando si parla di materiali compositi, 
questo principio non trova sempre riscontro. Infatti, nel caso in cui le fibre si 
trovano ad essere inglobate nella matrice perfettamente allineate le une alle 
altre, si parlerà di compositi unidirezionali. Questi tipi di materiale hanno la 
caratteristica peculiare di avere proprietà anisotrope (a,b). Le proprietà 
meccaniche massime per tutti i punti del materiale risultano essere definite 
da una e una sola direzione. [11]   
 
Fig. 1.1.6 Diverse tipologie di rinforzo. [1]