I materiali compositi avanzati nel settore dello sport: aspetti tecnologici e di mercato

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Capitolo primo 
I Materiali Compositi 
1.1 Definizione e tipi di materiali compositi. 
Per “materiali compositi”, in linea generale, si intende il risultato della 
combinazione di due o più materiali in modo da ottenere un sistema, cioè un 
tutto inscindibile ed integrato, dotato di caratteristiche differenti e non 
raggiungibili dai componenti singoli [1, 2]. 
Il termine “materiale composito” copre una varietà veramente ampia di 
forme. Per esempio un elemento in calcestruzzo può essere considerato un 
composito, così come può esserlo un circuito stampato di un televisore. 
Tuttavia, ai fini di questa discussione, l’accento sarà posto sui materiali 
compositi tecnici con l’esclusione dei materiali usati in elettronica e nelle 
costruzioni civili. Possono essere escluse anche le costruzioni composite come, 
per esempio, un foglio di materia plastica ricoperto con una pellicola metallica a 
fini decorativi o di rinforzo; questi casi possono essere ascritti alla definizione di 
“struttura composita” piuttosto che di “materiale composito”. Quest’ultimo 
viene qui considerato come un materiale in cui esiste una fase continua, detta 
matrice, che di solito rappresenta la maggiore quantità del totale in peso o in 
volume e che contiene isole disperse e discontinue di una seconda fase, che 
normalmente è costituita da un rinforzo di tipo fibroso [1-4], ed è quella 
fondamentale ai fini delle proprietà del materiale. Si tratta di una massa di 
materiale plastico, metallico, ceramico o vetroso che potrebbe anche sussistere a 
sé, ma che ha le proprie caratteristiche modificate dall’inclusione di particelle, 
fibre o tessuti. La vasta gamma dei materiali della seconda fase che possono 
essere incorporati e i modi in cui essi possono essere dispersi (in forma casuale 
oppure con un'orientazione preferenziale) offrono una vastissima scelta di 
opzioni nella ottimizzazione di ogni composito scelto e nella realizzazione delle 
combinazioni, richieste a fini progettuali, di caratteristiche fisico-meccaniche. I 
compositi possono essere materiali naturali, come ad esempio il legno 
(costituito in prevalenza da cellulosa e lignina) o sintetici [5], ovvero preparati 
per sintesi e ottenibili in linea di massima con l’aggiunta di un agente 
riempitivo (filler) ad una matrice; tra il filler e la matrice viene a stabilirsi una 
interazione che conferisce al nuovo materiale composito proprietà singolari e 
superiori (altrimenti non si avrebbe alcun vantaggio nella realizzazione dei 
materiali compositi) a quelle delle singole componenti [1]. 
Il materiale in forma di particelle disperse nella matrice può avere una 
gamma di dimensioni che va da quelle più piccole, nelle leghe, fino a quelle più 
grandi che possono essere costituite da fiocchi relativamente grandi o da 
microsfere di metalli o di vetro. Analogamente la lunghezza nominale delle 
fibre di vetro incorporate nei compositi può variare fra 2 e 10 mm e più; questa 
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dimensione può essere considerevolmente aumentata quando vengono 
incorporati feltri
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 di fibra tagliata oppure interi pezzi di tessuto [5]. Questi 
rinforzi uni e bi-dimensionali sono poi trasformati in concreto anche in forme 
tridimensionali, per esempio quando un filamento di fibra di rinforzo viene 
avvolto su un mandrino per fabbricare un tubo. Come regola generale, i 
materiali che contengono una quantità molto piccola della fase del materiale 
disperso (come, per esempio, le materie plastiche cui vengono aggiunti 
composti per ritardare la combustione o soppressori di fumo, oppure i metalli 
in cui si ha la presenza accidentale di qualche impurità), non sono considerati 
materiali compositi. Il termine “composito”, come già detto, viene utilizzato in 
quest’ambito per indicare il derivato di un'aggiunta deliberata di una fase 
dispersa in quantità che varia da pochi punti percentuali sino a circa il 60%, fase 
dispersa che di solito ha maggior durezza della matrice e che viene aggiunta 
allo scopo di ottenere alcuni netti miglioramenti di qualche specifica 
caratteristica. Ciò consente di poter progettare un materiale innovativo, con 
particolari caratteristiche, come ad esempio la leggerezza, la resistenza agli 
agenti atmosferici o la rigidità, e poi, solo successivamente, realizzarlo 
praticamente [1, 3, 5, 6]. In ogni caso il materiale composito deve essere 
formulato in modo tale che si possa verificare una buona adesione fra il 
materiale di rinforzo e la matrice; ciò può essere ottenuto o per naturale quanto 
casuale affinità, oppure, con maggiore affidabilità, utilizzando agenti leganti 
che agiscono da fondo (primer) sulla superficie del materiale della fase dispersa. 
La tabella n.1 evidenzia alcuni tipi di materiali compositi con le relative 
applicazioni. 
                                                 
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 I feltri di fibra tagliata sono una delle forme fisiche, diverse dai tessuti, mediante le 
quali possono essere inclusi i materiali di rinforzo nella matrice. 
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Tabella 1. Vari tipi di materiali compositi e loro applicazioni. 
Rinforzo o carica 
 
Matrice Alcuni impieghi 
Fibre di carbonio Plastiche ad alta 
resistenza 
Prodotti aerospaziali, prodotti 
sportivi 
Fibre di ceramica Metalli Conduttori ad alta resistenza 
elettrica 
Fibre di vetro Calcestruzzo, Gesso Pareti 
Fibre di metallo Plastica Per rendere conduttiva la plastica a 
fini di schermatura elettrica 
Fibre di plastica Plastica Pezzi stampati, elementi di 
rinforzo dei cavi. 
Particelle di 
nerofumo 
Gomma Usato come riempitivo e 
protezione da radiazioni UV 
Particelle di ceramica Plastica Per modificare la costante 
dielettrica. 
Particelle di vetro Plastica Microsfere di vetro vengono 
incorporate per riempire gli spazi e 
per ridurre la densità 
Particelle metalliche Metalli Depositati come grani fini nelle 
leghe indurite per precipitazione. 
Particelle di metallo Plastica Usata in forma di fiocchi a scopi 
decorativi o elettrici 
Particelle minerali Plastica Riempitivi generalmente poco 
costosi che aumentano la 
rigidezza. 
Particelle organiche Plastica Viene aggiunto amido per rendere 
biodegradabili i sacchetti di 
plastica 
Particelle di gomma Plastica Precipitata con mezzi chimici nelle 
plastiche complesse per migliorare 
la resilienza 
Particelle di legno Plastiche fenoliche Come rinforzo per migliorare la 
resistenza meccanica 
Fogli di tessuto di 
vetro 
Poliesteri Usato per fabbricare pannelli 
rinforzati per edifici e veicoli 
Maglie plastiche 
stampate 
Plastiche Un interstrato di irrigidimento per 
produrre fogli per uso agricolo e 
fogli leggeri di copertura per 
edifici 
Tessuto di fibre 
naturali 
Resine 
termoindurenti 
Per costruire robusti laminati usati 
come cuscinetti e per applicazioni 
elettriche quali gli isolatori 
Fonte: Elaborazione da [1]. 
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1.2 Classificazioni. 
La classificazione dei materiali compositi può essere effettuata sulla base 
di molteplici criteri. In questa sede si ritiene opportuna una classificazione 
relativa al tipo dei componenti che vengono impiegati nella realizzazione del 
materiale composito stesso, con particolare riferimento al tipo di matrice e al 
tipo di fibra di rinforzo. 
Poiché fra le due fasi, la matrice ed il rinforzo fibroso, quella che 
caratterizza maggiormente il tipo di composito, relativamente al campo di 
possibili applicazioni (e non relativamente alle effettive proprietà del materiale), 
è la matrice, si usa comunemente classificare i materiali compositi in base alle 
caratteristiche di quest’ultima. 
Possiamo quindi distinguere compositi polimerici, metallici e ceramici. 
I compositi polimerici o FRP (Fiber Reinforced Plastic, o compositi fibrosi) 
sono quelli in cui la matrice è plastica e la fase che costitutisce il rinforzo è a 
base di fibre sintetiche; gli esempi più noti di compositi fibrosi sono il GFRP 
(Glass Fiber Reinforced Plastic, o vetroresina) e il CFRP (Carbon Fiber Reinforced 
Plastic, o carboresina). 
 I compositi fibrosi dalle migliori prestazioni meccaniche sono definiti 
compositi avanzati [1, 3] e il loro impiego è fortemente cresciuto nel corso 
dell’ultimo decennio, soprattutto in settori ad alta tecnologia come quello 
aerospaziale o quello nucleare [11]. 
I compositi polimerici possono essere distinti in termoindurenti e 
termoplastiche. 
I termoindurenti induriscono per azione del calore e di un catalizzatore, 
assumendo una consistenza rigida permanente. I più diffusi sono le resine 
epossidiche, poliuretaniche e fenoliche. 
I termoplastici sono caratterizzati dall’avere una malleabilità reversibile, 
cioè fondono per azione del calore e solidificano per raffreddamento. 
I compositi metallici sono rappresentati da tutti i tipi di composito in cui 
la matrice è costituita da un materiale metallico. La differenza sostanziale fra 
compositi plastici e metallici può essere individuata nelle diverse caratteristiche 
meccaniche di una resina da un lato e di un metallo dall’altro, e quindi nella 
diversità di tutte quelle proprietà del composito che dipendono principalmente 
dalla matrice piuttosto che dalle fibre. Tali sono ad esempio la resistenza alla 
temperatura e le proprietà meccaniche in direzioni diverse da quella dell’asse 
delle fibre. 
 I compositi plastici non possono sopportare temperature di esercizio 
troppo alte, mentre un composito metallico può essere impiegato anche con 
temperature più elevate, a seconda del tipo di metallo che costituisce la matrice 
e purché naturalmente le fibre permettano tale temperatura. 
La suddivisione principale che può indicarsi per le applicazioni dei 
compositi plastici, metallici e ceramici è relativa ai campi di temperature in cui 
essi possono venire adoperati: la temperatura di esercizio è infatti limitata più 
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dal tipo di matrice che non dal tipo di fibre, in quanto la prima deve poter 
essere solida e non viscosa in modo da poter trasmettere gli sforzi esterni al 
rinforzo fibroso. I compositi plastici sono utilizzabili fino a circa 150 °C con 
resine normali, o a temperature molto superiori (oltre i 2000 °C) con resine 
particolari ancora in fase sperimentale [12]. 
Il problema comune a tutti i tipi di compositi metallici consiste nelle 
reazioni di corrosione reciproca che avvengono tra la matrice e le fibre di 
rinforzo, a temperature in genere molto inferiori a quelle massime permesse 
dalla matrice. Esiste quindi per i compositi metallici la necessità di individuare 
la durata e la resistenza di un composito in funzione della temperatura di 
esercizio. Inoltre i metalli, a caldo, sono soggetti al creep, o scorrimento di tipo 
viscoso, sotto carichi inferiori ai limiti elastici [12], e ciò può compromettere la 
resistenza del composito stesso. Benché uno dei vantaggi del rinforzo con fibre 
sia quello di aumentare la resistenza alle deformazioni per creep, occorre notare 
che questo fenomeno negativo non è annullato del tutto e quindi può 
rappresentare un possibile punto debole per le strutture composite. 
Generalmente un composito metallico ha un peso specifico superiore 
rispetto ad un composito plastico: questo svantaggio può essere almeno in parte 
superato poiché, a parità di altre caratteristiche, sono necessari per i compositi 
metallici spessori minori. 
Fra i compositi metallici più diffusi possono essere annoverati quelli di 
boro-alluminio, le cui applicazioni sono però limitate sia dalla scarsa 
esperienza, sia dai costi relativamente alti delle fibre di boro. Le applicazioni 
principali di questo tipo di materiali riguardano il settore aeronautico ed 
aerospaziale.  
I compositi ceramici nascono dalla fiducia nella possibilità di ottenere 
nuovi materiali che combinino sinergicamente i pregi dei materiali ceramici ed 
il principio dei compositi, eliminando i più gravi difetti di entrambi. 
È noto che i materiali ceramici, in passato, non potevano essere impiegati 
per la realizzazione di elementi strutturali a causa principalmente della fragilità 
presentata dal tipo di struttura cristallina, a legame ionico o covalente, che non 
permette possibilità di deformazione plastica. Tutto ciò è dovuto al fatto che, in 
genere, non è possibile ottenere con le normali tecnologie produttive un 
materiale ceramico completamente compatto; poiché la porosità presente 
genera un elevato numero di intagli, le caratteristiche meccaniche del materiale 
sono penalizzate [12]. Legata alla presenza di intagli e alla fragilità è la bassa 
resistenza a shock termici: le variazioni brusche di temperatura provocano 
deformazioni e ritiri che danno origine, in pochi cicli termici, a micro o macro-
fratture che comportano la completa frantumazione della struttura. 
L’introduzione di fibre ad alta resistenza in una matrice ceramica sembra 
essere l’unico sistema concreto che permetta una radicale trasformazione delle 
proprietà meccaniche possedute da un ceramico, essendo completamente 
variato il meccanismo di assorbimento di un eventuale carico esterno, rispetto 
alla sola matrice, per la presenza delle fibre. Al riguardo, un ruolo importante è 
giocato dal tipo di legame esistente fra fibre e matrice, in quanto questo è 
responsabile dell’andamento della linea di frattura all’interno del composito e 
quindi delle caratteristiche di fragilità del materiale. Inoltre la presenza di 
elementi fibrosi nella matrice, specialmente se questi sono migliori conduttori 
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termici, ha la capacità di distribuire più uniformemente le temperature durante 
le variazioni dovute a shock termici o a raffreddamento in fase di fabbricazione. 
Tra i pericoli maggiori per la riuscita e per le proprietà possedute dal 
composito, alla fine del ciclo di lavorazione, rimane quello conseguente alla 
porosità della matrice che permette a gas corrosivi di penetrare all’interno del 
composito stesso ed eventualmente di intaccare le fibre, oltre a rappresentare 
un elemento di debolezza strutturale. 
Negli ultimi vent’anni hanno avuto un notevole sviluppo due nuove classi 
di materiali ceramici: le fibre ed i compositi ceramici rinforzati con fibre. I 
materiali ceramici in generale, e i compositi ceramici in particolare, presentano 
elevata resistenza all’usura, refrattarietà ed inerzia chimica. La loro bassa 
densità li rende idonei per applicazioni strutturali. A queste caratteristiche 
positive si contrappone, nel caso dei materiali ceramici, una eccessiva rigidità 
che li rende fragili alle sollecitazioni meccaniche. A questo difetto si è potuto 
ovviare con la tecnica dei materiali compositi rinforzati con fibre, in modo da 
combinare le caratteristiche pregiate dei ceramici con quelle complementari dei 
materiali di rinforzo. I materiali ceramici sono utilizzati prevalentemente in 
forma di fibra, ma di recente si stanno sviluppando anche compositi in cui essi 
costituiscono la matrice. Alla produzione di fibre e compositi sono interessati i 
seguenti materiali: vetro, carbonio, grafite, boro, carburo di silicio, allumina, 
zirconia, boruro di titanio, carburo di boro, nitruro di boro, nitruro di silicio, 
mullite ed altri [6]. Per quanto riguarda le fibre, queste sono di tipo amorfo-
vetrose, policristalline o monocristalline (whiskers
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).  
                                                 
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 Sono sostanzialmente fibre monocristalline di grafite, cilindriche, costituite ciascuna da 
una sottile lamina arrotolata intorno all’asse maggiore.