“In the continuing quest for improved performance, which may be specified by various criteria including less weight, more strength and lower cost, currently-used materials frequently reach the limit of their usefulness. Thus materials scientists, engineers and scientists are always striving to produce either improved traditional materials or completely new materials. Composites are an example of the latter category.”[1]

Così inizia uno dei libri di divulgazione scientifica sui materiali compositi più conosciuti. Per chi non mastica un po’ d’inglese si può così riassumere: nel continuo bisogno di avere prodotti sempre  più leggeri,  resistenti ed economici, i materiali attuali hanno spesso già esautorato il proprio ruolo. Ecco perché scienziati ed ingegneri sono sempre alla ricerca di nuove idee per migliorare quello che c’è già oppure tentano di creare qualcosa di completamente nuovo. I materiali compositi appartengono a questa seconda categoria.

Personalmente, in queste poche righe ho ritrovato i motivi per cui questa materia mi ha affascinato sin dall’inizio. D’altra parte, chi non vorrebbe scoprire un nuovo materiale o almeno una sua nuova applicazione? Chi non la vorrebbe più leggera, resistente ed economica, potenzialmente allo stesso tempo, rispetto ad una soluzione già nota? E per raggiungere ciò, a chi non piacerebbe collaborare con scienziati ed ingegneri provenienti da più svariati campi, come sottolineano  gli autori del libro? Se anche voi siete tra questi, forse vale la pena proseguire nella lettura. Infatti, c’è molto altro da scoprire, anche nel settore bio-medico che sarà quello che andremo ad esplorare in questa sezione.

Comunque, si parta da qualche nozione di base che sarà di aiuto nel futuro. Il composito è un materiale che ha due o più costituenti distinti, sicché possiamo classificare anche il comune calcestruzzo come composito. Infatti, è in genere realizzato con del materiale inerte, come la ghiaia, ed il cemento che fa da legante. Ma ci sono compositi molto efficienti anche in natura, le ossa sono forse l’esempio più noto. Se prendiamo il femore di Fig.1, si vede una parete spessa ad alta densità e povera di grasso, detta osso corticale. Ha buone proprietà meccaniche: una resistenza alla flessione variabile tra i 46 e 156 MPa ed una rigidezza, espressa dal modulo di Young, nell’ordine di 20 MPa. All’interno di questa corteccia c’è un tessuto osseo più soffice e dall’aspetto spugnoso, che consiste infatti in una rete tridimensionale di fibre simili a travi, dette trabecole. La resistenza alla compressione dell’osso trabecolare è tra 5 e 20 MPa mentre il modulo di Young tra 0,02 e 1,7 GPa. Queste cifre saranno utili successivamente per illustrare gli alti standard che i compositi artificiali devono avere per essere di qualità paragonabile.

Continuando con i fondamentali, abbiamo già detto che i compositi sono una combinazione di almeno due fasi ben differenti. Comunque, ci sono altre tre condizioni che devono essere soddisfatte prima di definire un materiale come composito. In primis, ciascuna fase deve essere presente in quantità ragionevole, in genere si assume il limite del 5%. Poi, le proprietà del composito devono essere marcatamente differenti da quelle dei costituenti. In ultimo, la combinazione delle fasi avviene attraverso una serie di metodi e processi ben individuabili.

Introduciamo ora un po’ di classificazione e consideriamo il composito più comune, con solo due costituenti. C’è la matrice che è la parte continua e generalmente occupa lo spazio maggiore. Questa vede migliorare le proprie caratteristiche con l’introduzione del secondo costituente e, non meno importante, tenendo sotto controllo l’interfaccia che si viene a creare tra i due. Un composito può quindi avere una matrice ceramiche, metallica e polimera. La matrice ceramica è quella solitamente più resistente ma fragile. Al contrario, la matrice polimera è la meno resistente e con il più basso modulo di Young. La matrice mettalica ha valori di resistenza e rigidezza intermedi, ma non è altrettanto fragile quanto la ceramica.

Il secondo costituente rappresenta quindi la parte rinforzante, o più in generale, la parte che migliora le proprietà della matrice, il cui risultato è un nuovo materiale. Nella maggior parte dei casi il rinforzante è più duro, resistente e rigido della matrice. La sua principale caratteristica è che almeno una delle tre dimensioni è al di sotto dei 500µm, ossia mezzo millimetro. Di solito lo si può trovare in forma fibrosa o di particolato. Le proprietà meccaniche del composito sono fortemente influenzate da queste forme e dalle loro dimensioni. Infine, la fase fibrosa che è sicuramente la più comune si dice discontinua, quando formata da più fibre corte, o continua nel caso si abbiano fibre lunghe che percorrono da un lato all’altro tutto il pezzo realizzato in  composito. Le fibre corte possono avere orientazione più o meno casuale. Le fibre lunghe sono invece disposte lungo un’unica direzione o su due, intrecciate perpendicolari tra loro nella versione più comune. Tali fibre sono dette  quindi unidirezionali o bi-direzionali. Veramente lunga è la lista dei materiali con cui le fibre possono essere realizzate, diversi anche quelli naturali.

Per riassumere, abbiamo visto che il composito è un materiale che nasce con proprietà completamente differenti, quando si combinano opportunamente una matrice ed il suo rinforzo. La matrice può essere ceramica, metallica o polimera mentre il rinforzo può essere rappresentato da un particolato o da fibre lunghe o corte. Il rinforzo che la matrice subisce dipende principalmente dalla fase rinforzante e dall’interfaccia che si crea tra le parti.

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Bibliografia

[1]. Matthews, FL & Rawlings, RD 2004, Composite Materials: Engineering and Science, CRC Press, London, UK.
[2]. Image from WWW, viewed 1 September, 2006,
http://www.lab.anhb.uwa.edu.au/mb140/CorePages/Bone/Bone.htm.