Compositi-Materiali-Fibre-caratteristiche meccaniche

COMPOSITI, MATERIALI, FIBRE E CARATTERISTICHE MECCANICHE

di Matteo Fongaro (matteof)

Ho notato nel forum che spesso nascono discussioni sul carbonio e di conseguenza anche sulle marche produttrici di canne da pesca, queste discussioni spesso sono animatamente sostenute da più parti che “difendono” l’una o l’altra marca in virtù delle prestazioni fornite da un tipo di carbonio.

Ora lo spunto di questo scritto è nato sullo slancio dell’articolo precedente sulle deformazioni e sulle tensioni, nel proseguimento degli studi in quello specifico argomento e da alcune mail di commento che mi sono pervenute da personaggi illustri della PAM italiana con alcune richieste di approfondimento in materia.

Come nel precedente articolo non ho pretese di innovazione o di sconvolgimento delle attuali teorie meccaniche, mi pongo solo nella posizione di spiegare, nel modo più chiaro possibile, alcune nozioni in materia, per dare qualche strumento in più di valutazione.

Come nel precedente articolo sono a piena disposizione di chiunque abbia delle osservazioni o delle critiche da fare. Buona lettura.

P.S. Lo stile è sempre quello, ogni tanto scrivo qualche stupidaggine per spezzare la serietà del discorso, come sempre scusatemi.


La maggior parte dei pescatori, al momento dell’acquisto della propria canna da pesca si fa convincere dal venditore il quale declama con enorme orgoglio tutta una serie di sigle IMX, IM6, IM7 e così via, nella maggior parte dei casi sulle canne si trovano scritte ingannevoli come “high module carbon composite” oppure, come va di moda ultimamente “carbonio alta resitenza” . quest’ultima frase è particolarmente bastarda perché nella mente di chi legge spesso ci si fissa sulla parola alta che per associazione diventa alto modulo e nella realtà si è comprata una semplice canna in normalissimo carbonio.

La domanda che però non ci poniamo mai è se quel carbonio è effettivamente adatto alle nostre esigenze di pesca, con questo piccolo articolo vedrò di spiegare che spesso il carbonio altissimo modulo può non essere l’ideale; inoltre vedrò di darvi un po’ meno formule e più dati tecnici per poter davvero capire se quello che stiamo acquistando è davvero l’ideale per noi.


Come sempre per affrontare correttamente un discorso bisogna partire dalle definizioni, così capiamo bene di cosa stiamo parlando.

MATERIALE COMPOSITO

Si definisce materiale composito l’abbinamento di uno o più materiali che differiscono nella composizione chimica che sono tra loro insolubili.

MATRICE

La matrice di un materiale composito è l’elemento maggior presente nel materiale e che di regola mantiene uniti gli elementi costituenti

INCLUSIONI

E’ il restante materiale che non è matrice e che costituisce una percentuale minore del materiale composito. Solitamente vengono abbinati a matrici ben definite e possono essere di diversa natura a seconda del materiale.

Un esempio lampante di materiale composito sono le rocce, se guardate il granito o il porfido noterete sicuramente che la maggior parte del materiale è costituito da una sorta di pasta all’interno della quale “galleggiano” altre particelle. La pasta è la matrice, mentre le particelle sono le inclusioni, le quali sono tenute insieme dalla matrice. Le proprietà meccaniche sono decisamente diverse a seconda della matrice e delle inclusioni che servono da rinforzo. Ovviamente un materiale costituito esclusivamente dalla matrice non potrebbe avere mai le caratteristiche del materiale composito perché le inclusioni garantiscono il sostegno e partecipano alla distribuzione degli sforzi e delle tensioni.

Esistono tutta una serie di compositi dei più disperati materiali per moltissimi usi, dall’aereo spaziale, alle barche, all’edilizia fino alle canne da pesca. Vi cito a titolo informativo solo tre macro gruppi di compositi:

- Compositi a matrice polimerica PMC: i principali per gli usi di pesca, hanno ottime proprietà meccaniche, resistenza a deformazioni e tensione;

- Compositi a matrice metallica MMC: hanno una grande resistenza alla temperatura;

- Compositi a matrice ceramica CMC: questi materiali hanno una grande tenacità (non so se qualcuno ricorda ma negli ani 80 la Browing produceva le canne a matrice ceramica sembrava una rivoluzione per il tempo poi invece l’idea non ha preso piede).

Distinguiamo anche i principali tipi di inclusione, ovviamente poi la nostra analisi si concentrerà sul tipo di inclusioni delle canne da pesca.

Ci sono i seguenti tipi di inclusioni:

- Inclusioni sferiche (alte proprietà isotrope, cioè distribuiscono gli sforzi in più direzioni)

- Inclusioni irregolari (alte proprietà isotrope)

- Inclusioni a piattello, cioè lamine piatte (proprietà isotrope nel piano)

- Inclusioni a fibre lunghe (tipico delle canne da pesca)

A noi interessano solo le fibre lunghe e le loro proprietà vedremo tutto quello che entra in gioco nella definizione della struttura del tessuto composito di carbonio.

Per completezza è bene ricordare che esistono due tipologie di materiali compositi:

- materiali compositi non strutturali: cioè in cui la matrice è rinforzata con fibre discontinue e distribuite in modo casuale (tipici delle matrici in poliestere, che poi vedremo)

- materiali compositi strutturali: cioè con matrice rinforzata da molte fibre continue ed ordinate, con la particolarità di avere una bassissima presenza di vuoti (le nostre amate canne da pesca).


Ogni componente del materiale va ad influire su specifiche aree di lavoro e si occupa di sopportare alcuni stress, vediamo di capire quali sono i compiti che svolgono la matrice e le fibre.

La matrice agisce:

- sulla densità, più materiale si deve aggiungere per tenere insieme il composito più aumenterà la densità e di conseguenza il peso;

- la resistenza al taglio perché la prima cosa che incontra una lama che ipoteticamente fende il materiale è la matrice e di conseguenza valgono le sue proprietà di resistenza al taglio (badate bene al taglio non allo sforzo di taglio, cioè lo sforzo che agisce su un piano inclinato rispetto agli assi x,y,z)

- sul trasferimento del carico e quindi sulla resistenza generale poiché se non trasferisce bene il carico alle fibre incluse non ha senso avere super carboni all’interno

- sulla resistenza ambientale e quindi ai fattori esterni come la temperatura, la pioggia l’irragiamento solare, per questo molte canne hanno il trattamento anti UV

- sulla lavorabilità, è inutile avere un materiale super resistente se non riesco a dargli la forma che mi serve nel mio prodotto.

Le fibre agiscono:

- sul modulo della resistenza a trazione e compressione (dopo lo spiego), i carichi vengono trasferiti su di esse e quindi hanno il compito di sopportarli e di dare adeguate risposte alle sollecitazioni

- sulla densità, la qualità delle fibre incide sulla quantità che devo metterne per sopportare un certo sforzo

- sulla resistenza alla fatica, per quanto detto sopra

- sulla conducibilità termica e elettrica, la matrice quasi mai è un conduttore

- sul coefficiente di espansione termica, la matrice accoglie le espansioni termiche delle fibre

- sul costo, ovvio il carbonio super figo altamente resistente anche a Chuk Norris costa di più del carbonio di nonna Pina.

Il prossimo step sarà quello di analizzare i tipi di matrice e i tipi di fibre per capire le differenze in termini di resistenza, proveremo poi a fare delle analisi e dei confronti, non solo, ci saranno anche delle belle sorprese sempre se non vi siete già addormentati.


Le matrici che più ci interessano da un punto di vista delle applicazioni in pesca si posso dividere essenzialmente in due categorie:

- termoindurenti: sono matrici che all’aumentare della temperatura, dopo una prima fase di rammollimento, si induriscono (immaginate battute volgari a riguardo)

- termoplastiche: sono matrici che aumentano la loro malleabilità all’aumentare della temperatura (battute come sopra)

Le più usate sono:

- matrici epossidiche: buone caratteristiche meccaniche, aderiscono bene alle fibre, hanno una bassa percentuale di ritiro dopo i trattamenti termici, hanno un costo sostenuto e sono prevalentemente usate con carbonio e fibre aramidiche (poi vi spiego cosa sono).

- matrici poliestere: sono impiegate nelle fibre di vetro ed hanno un costo nettamente inferiore a quelle epossidiche.

Ovviamente esistono una miriade di altri tipi di resine come la PA 6,6 che è un tipo di poliamminide (nylon), per altri usi viene impiegato anche il polietilene, polipropilene e così via (sono in poche parole vari tipi di plastiche).

Interessante però è vedere le proprietà meccaniche delle matrici per farsi un’idea delle diverse caratteristiche. In seguito vedremo anche alcune caratteristiche dei materiali accoppiati.

Piccolo inciso, il pascal (pa) è una unità di misura della forza che agisce su una superficie, per dare un’idea 1 Mpa (mega pascal) equivale a 10.1971621 Kg che agiscono su un cm quadrato. Per completezza 1 Mpa (giga pascal) equivale a 1000 Gpa (giga pascal9)


Volevo focalizzare la vostra attenzione sul fatto che tra le matrici considerate, soprattutto tra espossidica e poliestere, non c’è poi una grande differenza, se si esclude la resistenza a trazione, il resto dei valori hanno range simili. Importante è focalizzare che gran parte degli sforzi vengono trasferiti alle inclusioni (le fibre) e la miglior matrice viene stabilita in base all’aderenza e alla capacità di trasmettere le forze.


L’industria moderna si è sempre concentrata sullo studio di fibre che avessero diverse caratteristiche per poter dare al mercato più possibilità di scelta. Le fibre attualmente usate nella stragrande maggioranza dei casi:

- Fibre di vetro: buona resistenza meccanica che va dai 2 ai 5 Gpa (giga pascal), un basso costo, facilità di produzione, buona tenacità, basso modulo elastico da 70 ad 80 Gpa, con una densità di materiale pari a circa 2,45 – 2,55 gr/cm cubo.

I tipi di vetro più utilizzati sono il così detto tipo E composto da:
.
l’altro è il tipo S che vanta una maggiore resistenza ed è essenzialmente composto da:

(come sempre sono a disposizione per eventuali spiegazioni ulteriori in questo caso di chimica).

- Fibre di carbonio: resistenza meccanica compresa tra i 3.1 ed i 4.5 Gpa, (notare, la resistenza meccanica è inferiore al vetro) costo di produzione elevato, bassa tenacità, modulo elastico compreso tra i 200 e gli 800 Gpa, densità di materiale pari a circa 1,7 -1,9 gr/cm cubo.

Modulo elastico e resistenza a rottura dipendono univocamente dal trattamento termico effettuato durante la produzione della fibra. Brevemente per produrre il carbonio si parte dalla fibra di pece, si passa al processo di stabilizzazione che avviene a 200-220 °C, successivamente si passa al processo di carbonizzazione a 1000-1500 °C, il carbonio prodotto fin qui è quello ad alta resistenza, proseguendo ulteriormente con il processo di lavorazione si passa alla grafitizzazione che avviene a temperature maggiori di 1800 °C producendo così le famosissime e rinomate fibre di carbonio HM (higt module). Se si prosegue oltre con la temperatura ci si brucia sicuramente.

- Fibre aramidiche: tipo kevlar, hanno una resistenza compresa tra i 3 e i 4.5 Gpa, buona tenacità, costo medio, medio modulo elastico, compreso tra i 130 e i 150 Gpa ed una densità molto bassa paria circa 1,45 - 1.5 gr/cm cubo.

Forse non tutti sanno che il Kevlar è una fibra Du Pont, lo stesso che ha inventato il nylon e le calze da donna, fortuna che ha pensato di fare i collant in nylon altrimenti se fossero state in kevlar col piffero che riuscivamo a toglierle.

Tornando seri, senza entrare in grandi tecnicismi vi dico che la maggio parte dei Kevlar usati sono il 29, con bassa densità, alta resistenza (usato soprattutto per cavi e funi) e il 49 che ha un maggior modulo elastico ed è quello che troviamo nelle canne da pesca.

Vediamo di confrontare graficamente le varie proprietà delle fibre e fare alcune riflessioni.
Analizzando il grafico possiamo notare che il vetro (inteso come fibra di vetro) ha praticamente a stessa resistenza a trazione specifica della grafite (attenzione in rapporto alla denstà), la grafite batte di molto tutti per quanto riguarda il modulo (dicesi modulo il rapporto tra le deformazioni e le sollecitazioni), il che tradotto in parole povere signifca che il carbonio alla stessa tensione si sarà deformato molto meno, mentre il vetro avrà subito maggiori deformazioni. Dal grafico anche si capisce perché il Kevlar viene usato come fibra di rinforzo infatti ha la miglior resistenza di tutti i materiali (sempre in rapporto alla densità) e il suo modulo ha valori medi rispetto al vetro e alle grafiti. Riepilogo brevemente le caratteristiche salienti delle fibre


In questa tabella ho voluto fare un riepilogo generale delle caratteristiche meccaniche (medie) per poter procedere ad un confronto: noterete di sicuro che il vetro ha una resistenza a trazione maggiore del carbonio ad alto modulo, che a sua volta però ha un modulo a trazione 4 volte maggiore del vetro. Questo significa che a parità di sforzo il carbonio regge il lavoro con una minor deformazione ed una minor quantità di materiale, ma se aumentiamo lo sforzo ad un certo punto il carbonio cede mentre il vetro, pur con grandi deformazioni, regge il lavoro.

Quindi, a differenza del pensare comune il carbonio non è la fibra più resistente e quindi può non essere la fibra ideale per determinati usi.


Come già detto in precedenza le fibre sono il rinforzo della matrice e si occupano di sopportare determinati sforzi. Tutto incide nella buona riuscita della sopportazione del lavoro, dall’accoppiamento ideale tra matrice ed inclusione alla disposizione spaziale dell’inclusione.

Procediamo con ordine, analizziamo prima il comportamento delle fibre a seconda della disposizione spaziale all’interno della matrice e partiamo da alcuni assiomi:

- Ogni fibra esercita un effetto rinforzante che cresce al crescere della grandezza della fibra ed è maggiore nella direzione del proprio asse.

Questo è abbastanza intuitivo, più è grande la fibra e più è resistente, poi è ovvio che se piego la fibra longitudinalmente è più resistente che non torcendola

- A parità di contenuto di fibre, un aumento del grado di allineamento delle fibre comporta crescenti prestazioni fisico meccaniche nella stessa direzione dell’allineamento.

Se avete l’opportunità di andarlo a vedere, nel catalogo Daiwa 2007 (lo cito senza secondi fini) ci sono le foto degli ingrandimenti delle sezioni dei vari compositi, ovviamente il miglior materiale ha una densità maggiore ed è fitto di fibre tutte ordinate, questo perché più ordine c’è più gli sforzi vengono equamente distribuiti e non ci sono punti deboli.

- Un bilanciamento delle proprietà di un composito è possibile con opportune orientazioni e distribuzioni spaziali delle fibre di rinforzo

Nella nostra amata attività di pesca è praticamente impossibile immaginare di avere sforzi in un’unica direzione, l’industria quindi ha sviluppato dei metodi per ottenere strutture in grado di sopportare sforzi in tutte le direzioni.

Nel grafico riporto le prove effettuate su alcuni materiali: per standardizzare i risultati i compositi sono stati creati ad hoc prendendo una matrice epossidica ed un contenuto di fibre del 60%. I valori servono ad avere un confronto tra i materiali isotropi (con le fibre sparse un po’ in tutte le direzioni) ed il materiale con le fibre unidirezionali.

I valori di riferimento sono il modulo specifico (la capacità di deformarsi riferito alla densità del materiale) e la resistenza specifica (il carico “resistito” riferito alla densità del materiale).

Si evince tranquillamente che il materiale unidirezionale dà migliori prestazioni rispetto al materiale isotropo. L’ideale sarebbe avere un materiale che sia unidirezionale per ciascuna delle direzioni possibili degli sforzi.

Per ovviare a questo inconveniente si è pensato bene di passare ai tessuti di fibre. L’idea è di per se stessa semplice ma geniale, spesso infatti sentiamo parlare di tessuti in fibra di carbonio, il fatto di avere fibre disposte in più direzioni consente di avere materiale in grado di sopportare sforzi anche in direzioni diverse e non solo, accoppiando vari materiali si possono avere tessuti che hanno prevalenza di resistenza in certe specifiche direzioni. Lo stile di tessitura ha influenza sul drape (cioè la capacità di adattarsi ad una forma specifica), sulla levigatezza, sulla stabilità, sulla bagnabilità (capacità di impregnarsi di resina e di creare il minor numero di vuoti), la porosità.

Nelle applicazioni di nostro interesse, salvo qualche raro caso temerario, troviamo essenzialmente tre tipi di tessuto:











Oltre alla tessitura delle fibre, l’industria ha elaborato anche i materiali multistrato, cioè si abbinano materiali in fogli unidirezionali accoppiandoli in direzioni diversi. Ad esempio si prende un foglio con fibre disposte unidirezionalmente e lo si abbina ad un foglio analogo ma sfasato di 90 gradi in modo da avere fibre che agiscono su due direzioni. Ovviamente si possono accoppiare materiali in diverse direzione ad esempio a 90 e 45° rispetto al foglio “principale”, oppure si abbina un foglio con il materiale disposto in modo isotropo in modo da avere uno (o più) foglio unidirezionale ed un foglio isotropo, questo sistema consente di distribuire gli sforzi su più fogli che agiscono in diverse direzioni. Bisogna però valutare che i fogli vanno tenuti insieme e che la matrice utilizzata deve essere tale da trasmettere gli sforzi in modo idoneo su più livelli spaziali.


L’argomento è decisamente complesso e le possibili varianti praticamente infinite, tant’è che spesso i produttori hanno super brevetti che coprono i loro compositi per la particolarità dei carboni, degli intrecci, dei tessuti e dei rinforzi. Ultimamente poi è in voga la tendenza di inserire nella matrice delle sostanze di rinforzo che entrano a tutti gli effetti a far parte della matrice e di conseguenza impregnano le fibre. Non solo, nella creazione delle canne da pesca entrano poi in gioco i metodi di produzione, come l’avvolgimento nel mandrino, il tempo in autoclave e la mano del costruttore.

Lo scopo essenziale di questo articoletto era quello di mettere alcuni punti saldi nell’argomento e far capire quelle che sono le variabili che entrano in gioco nella definizione delle proprietà meccaniche dei compositi. Soprattutto volevo far vedere che certi materiali che sono considerati minori hanno invece caratteristiche meccaniche superiori ai super carboni e spesso, anche se non ce ne rendiamo conto, sono la base di costruzione delle canne da pesca. Non solo, il loro costo decisamente inferiore consente di produrre canne valide e resistenti ad un prezzo appetibile al mercato.

Sarete sorpresi che può capitare che il carbonio viene usato come rinforzo in canne in fibra di vetro, ma allora c’è da domandarsi se è vera o meno la scritta che spesso si legge “high module carbon”, sarà tutto carbonio o solo una parte? La base della canna è in fibra di vetro? Il prezzo a cui la pago è realmente giustificato dal materiale con cui è costruita?

Interrogativi importanti per i quali spero di avervi dato qualche elemento per valutare ciò che è effettivamente avete tra le mani, senza contare che, per particolari PAM, come quella in mare, con cui si ha a che fare con bestie che sprigionano una forza notevole, forse il carbonio alto modulo non è la soluzione migliore. Inoltre la fibra di vetro ha la caratteristica di avere maggiori deformazioni rispetto al carbonio e quindi dà una azione finale più morbida ed in grado di caricarsi bene anche con pochissima coda in aria. Non a caso un’azienda come la SCOTT (non ho secondi fini è solo una citazione) ha scelto di produrre canne per code leggere in fibra di vetro abbinata al carbonio, in questo modo ottiene canne facili da usare e resistenti.

Infine voglio solo chiarire che io non appartengo a nessuna fazione o scuola di pensiero in questo campo anzi, forse più di altri sono affascinato dalle sigle del carbonio, per la curiosità di scoprirne le caratteristiche tecniche e costruttive, ma nell’acquisto tendo ad essere estremamente oculato (un po’ perché sono tirchio!!!!) e mi piace valutare e sapere cosa mi porto a casa e non mi accontento di una sigla, spesso ricerco, mi informo e valuto. Si può scoprire perché una canna da 100 euro è migliore per la tua PAM, e si può altrettanto sognare una canna da 1000 che è costruita con il miglior abbinamento di materiali possibili, l’importante è saperlo non sospettarlo.

A disposizione come sempre