Materiali compositi: dall’edilizia all’auto, la ricerca lavora per fornire benefici e sostenibilità

I materiali compositi hanno una storia antica quanto la creatività dell’uomo. Oggi sono materia di ricerca e sviluppo perché sono in grado di fornire benefici a molteplici settori industriali. Dall’edilizia all’auto, dal tessile alla aerospaziale, trovano impiego ovunque. Giusto per fare un recente esempio di quanto siano tenuti in considerazione: il governo sudcoreano investirà più di 130 milioni di dollari da qui al 2030 nello sviluppo della tecnologia per i materiali compositi in carbonio, considerati cruciali per il futuro dei settori della difesa e aerospaziale. In quest’ultimo comparto, i materiali compositi utilizzati per gli aeromobili in sostituzione delle tradizionali leghe di alluminio hanno comportato una riduzione del peso degli aeromobili pari al 20%. Una diminuzione di circa 580 chilogrammi per aereo si traduce in un risparmio di carburante del 10-15%, con un impatto ambientale positivo attraverso una riduzione di circa il 20% delle emissioni di gas serra, sottolinea Leonardo.

Materiali compositi: cosa sono e da quando sono utilizzati dall’uomo

Il materiale composito è costituito dall’unione di due o più materiali distinti in matrice (polimerica, metallica, ceramica), rinforzo (fibre di vetro, carbonio, kevlar, particelle, gomme), e additivi (come agenti accoppianti e/o riempitivi).

I compositi, spiega Simonetta Pegorari, architetto e Consulente esperta di materiali compositi per Jec Group, possono essere descritti come un insieme di due o più materiali diversi che quando combinati danno origine a un prodotto completamente nuovo che presenta proprietà superiori ai singoli componenti.

Sono utilizzati in una gamma infinita di applicazioni: medicale e design, aerospaziale e automotive, come pure edile e ferroviario: infinito è l’elenco dei campi di utilizzo per questi materiali.

La storia dei materiali compositi affonda nella notte dei tempi, quando l’uomo ha intuito il beneficio di combinare materiali diversi, uno come matrice l’altro come rinforzo, per creare nuovi prodotti. Dalla miscela di fango e paglia usata dalle civiltà egizie e mesopotamiche dal 1.500 a.C. per creare edifici più forti e durevoli all’arco delle popolazioni Mongole, combinando legno, osso e “colla animale” sono nati strumenti di guerra “che contribuirono a garantire il dominio militare di Gengis Khan”, ricorda il Museo Agostini.

Negli ultimi decenni i materiali compositi hanno trovato nuovi spazi e opportunità di combinazione per creare prodotti sempre più performanti. Con l’attenzione alle prestazioni è cresciuta nel tempo l’attenzione alla sostenibilità. In tutto questo il mondo della ricerca ha contribuito e continua a fornire idee e avviare progetti.

La ricerca ENEA sui materiali compositi

A proposito di ricerca, uno degli enti più attenti nello studio dei materiali compositi è ENEA. L’agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile ha avviato diversi progetti, diversi dei quali sono stati presentati in occasione del JEC Forum Italy 2023. Vedono al centro i materiali compositi, che guardano alla sostenibilità.

Tra questi segnaliamo il progetto EcoCarbonio. Sviluppato come progetto regionale è nato per introdurre nuove modalità di produzione sostenibili basate sul riutilizzo di materiali di scarto all’interno del processo produttivo industriale dei materiali compositi. La finalità è dare nuova vita a materiali altrimenti destinati allo smaltimento. Uno degli aspetti innovativi, in tal senso, è implementare una nuova filiera industriale in grado di reimpiegare sfridi e scarti di fibra di carbonio che oggi sono considerati rifiuti.

Un altro progetto in cui è attiva ENEA è CEM-WAVE, focalizzato sui compositi a matrice ceramica (Ceramic Matrix Composites – CMC). Si tratta di materiali caratterizzati dall’elevata resistenza alle sollecitazioni termiche e inerzia chimica per applicazioni energetiche, ma impiegati nei nuovi processi produttivi basati sull’infiltrazione di vapori chimici assistita da microonde, utili per l’industria siderurgica e altri settori produttivi.

Scopo del progetto è introdurre un processo innovativo di produzione basato sui CMC per venire incontro alle esigenze delle industrie ad alta intensità energetica che pianificano il loro passaggio completo alle fonti rinnovabili.

I principali vantaggi dei compositi a matrice ceramica rispetto ad altri materiali includono elevata resistenza termica, durezza, resistenza alla corrosione, leggerezza e natura non magnetica. Nel corso degli anni, i CMC hanno acquisito un’importanza significativa nelle applicazioni industriali rispetto alla ceramica monofase e ad altri materiali, grazie alle loro peculiari proprietà fisiche.

La crescente domanda industriale di apparecchiature resistenti alle alte temperature, a basso peso e densità è il fattore principale che guida l’espansione del mercato globale dei compositi a matrice ceramica, il cui valore si prevede passerà da 1,8 miliardi di dollari (nel 2022) a 3,1 miliardi di dollari entro il 2028.

I vantaggi dell’impiego dei materiali compositi in edilizia

I materiali compositi trovano spazio in edilizia, per diverse applicazioni nei progetti di costruzione, dagli elementi di fondazione ai sistemi di supporto strutturale. Il materiale composito viene spesso utilizzato, per esempio, come cassaforma per fondazioni o come rinforzo per pareti e soffitti. Può essere impiegato anche per strutture di copertura, telai di finestre e persino sistemi di copertura. Inoltre, i materiali compositi possono essere utilizzati per la costruzione di pareti non portanti o per scopi di isolamento.

Uno dei principali vantaggi dei materiali compositi in edilizia è il loro rapporto resistenza/peso. Ciò significa che questi materiali sono significativamente più resistenti della maggior parte degli altri materiali da costruzione pur essendo abbastanza leggeri da essere maneggiati facilmente durante i processi di installazione e trasporto. Inoltre, i materiali compositi richiedono meno manutenzione rispetto alla maggior parte dei prodotti da costruzione tradizionali. Ciò si traduce in una maggiore durevolezza con minori riparazioni necessarie nel tempo. Inoltre, poiché alcuni prodotti compositi contengono contenuto riciclato, offrono un’alternativa ecologica alle pratiche edilizie standard, che aiuta a ridurre i rifiuti e le emissioni durante i processi di produzione.

I materiali compositi sono spesso più convenienti dei materiali tradizionali perché richiedono meno materiale, manodopera e manutenzione. Questo li rende un’ottima scelta per qualsiasi progetto di costruzione.

Energia ed economia circolare: i possibili nuovi sbocchi

I materiali compositi trovano anche impiego nel settore energetico. Un esempio sono le turbine eoliche, costituite da materiali compositi. A loro volta, esse possono divenire parte di nuovi prodotti per l’edilizia. È questo l’obiettivo del progetto europeo METABUILDING, cui partecipa CETMA, Organizzazione di Ricerca e Tecnologia di cui l’ENEA detiene il 50% delle quote. Proprio la RTO italiana ha contribuito allo sviluppo di un prototipo di blocchi da costruzione realizzati con miscele di cemento e aggregati di varia granulometria provenienti dal riciclo di pale eoliche a fine vita.

I vantaggi, oltre che quelli di applicare principi di economia circolare, sono anche funzionali:

“Dal punto di vista delle prestazioni termiche, i test di caratterizzazione hanno evidenziato nel caso di miscele realizzate con l’aggiunta in volume di scarti di GFRP fino al 10%, un miglioramento delle prestazioni del 20-22% rispetto alla miscela di riferimento”.

I materiali compositi entrano in azione anche per la realizzazione delle batterie auto. In particolare, dalla collaborazione tra ENEA, CNR e altri attori della ricerca è stato avviato FENICE – “Fire rEsistant eNvironmental frIendly CompositEs”. Si tratta di un progetto di upscaling a TRL 8 su laminati metallici fibrorinforzati riciclabili e biobased (FML) e altri materiali compositi per la produzione di nuovi involucri per batterie più leggeri, sostenibili e sicuri, con una maggiore resistenza al fuoco.

Gli attori coinvolti attivamente nel progetto si propongono di ottenere una riduzione di peso rispetto ai box-batteria in acciaio utilizzati correntemente nella mobilità elettrica, utilizzando FMLs (Fiber Metal Laminate) e compositi innovativi anziché leghe leggere, con numerosi vantaggi in termini di sostenibilità e sicurezza. Come verificato nel settore aeronautico, gli FML sono molto più tolleranti agli incendi, agli urti e alla fatica.

FENICE curerà l’ingegnerizzazione di un nuovo concetto brevettato di box-batteria, ottimizzandolo per la produzione finale di un milione di pezzi all’anno (a partire da 100.000 nel 2026). Oltre alle prestazioni, si farà attenzione anche alla sostenibilità. A questo proposito, saranno studiate diverse resine ad alta sostenibilità.

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