L'origine dei materiali compositi risale molto indietro nella storia. Il più comune composito artificiale era la combinazione di paglia e fango per fabbricare mattoni per la costruzione. Un altro esempio è il calcestruzzo, che combina cemento e ghiaia. Composti più recenti utilizzano polimeri come una resina o una matrice per tenere insieme la miscela e varie fibre come materiale di rinforzo. Questi compositi polimerici hanno migliorato le prestazioni di molti prodotti moderni.
Matrice
Lo scopo della matrice è quello di legare insieme le fibre del rinforzo in modo che le sollecitazioni siano distribuite su tutto il materiale. La matrice di resina forma anche una superficie dura che protegge il materiale di rinforzo dai danni. I materiali a matrice polimerica sono di due tipi: termoindurenti e termoplastici. Una matrice termoindurente viene creata da un'azione di polimerizzazione chimica irreversibile di una resina per formare una miscela amorfa. I termoindurenti hanno una resistenza alle alte temperature, buona resistenza ai solventi e un'elevata stabilità dimensionale.
I materiali termoplastici si formano riscaldando alla temperatura di processo e formando il prodotto nella forma desiderata. Hanno una viscosità molto elevata, che li rende più difficili da produrre. I materiali termoplastici hanno una maggiore resistenza alle fessurazioni e ai danni da impatto rispetto ai materiali termoindurenti.
fibre
Il ruolo del rinforzo in fibra è quello di aggiungere resistenza e rigidità al materiale combinato. Il rinforzo è disponibile in tre forme: particelle, fibra continua e fibra discontinua. I primi materiali di rinforzo erano paglia, canapa e vetro. Negli anni '40, i produttori iniziarono a combinare fibre di carbonio e vetro con plastiche polimeriche per creare un composito forte che potesse essere utilizzato per gli scafi degli aerei.
Forza
Un vantaggio significativo dei compositi polimerici è il loro elevato rapporto resistenza-peso. I compositi con fibre di poliaramide sono cinque volte più resistenti dell'acciaio su una base di sterlina per libbra. Le fibre in questi compositi possono essere disposte durante il processo di produzione in un modello multidirezionale che diffonde gli stress in tutto il materiale. Tuttavia, questi materiali hanno una bassa resistenza alla compressione, il che significa che possono rompersi facilmente con forze improvvise e taglienti. Un composito polimerico finito avrà una superficie liscia, rendendolo utile per ridurre la resistenza aerodinamica negli aerei.
elasticità
I compositi polimerici hanno un'eccellente resistenza alla corrosione chimica, ai graffi, alla ruggine e all'acqua di mare. Queste caratteristiche hanno portato ad applicazioni in scafi di aerei, parti di biciclette, veicoli militari, treni e barche. A causa della loro durata nel tempo, i compositi a basso costo hanno trovato impiego in sedili, pareti e pavimenti negli autobus e nelle metropolitane.
Costi
Il costo di realizzare compositi polimerici e di formarli in prodotti utili è il principale svantaggio. I compositi polimerici sono prodotti da un processo laborioso noto come lay-up che rallenta i tassi di produzione, rendendo i prodotti meno redditizi per i volumi di produzione elevati. Anche i compositi polimerici avanzati sono costosi da produrre. Queste formule avanzate richiedono una formazione più costosa per il lavoro e considerazioni ambientali e sanitarie più sofisticate.
I compositi polimerici hanno continuato a svilupparsi nel corso degli anni con processi di produzione meno costosi e formulazioni migliori con migliori caratteristiche di resistenza e durata. Mentre gli scienziati apprendono di più sulle relazioni tra resine e materiali di rinforzo, le applicazioni dei compositi polimerici continueranno a trovare più usi nei prodotti di uso quotidiano. I compositi più robusti e leggeri troveranno la loro strada in usi più economici in trasporti, barche e altri prodotti che prima non erano ritenuti possibili.
