Scopri di più sui compositi in fibra aramidica, tra cui resistenza agli urti, proprietà di leggerezza, rigidità, resistenza all'abrasione e principali applicazioni militari e industriali.
La fibra aramidica, nota anche come "poli(p-fenilene tereftalammide)", possiede proprietà eccellenti come resistenza ultraelevata, modulo elevato, resistenza alle alte temperature, resistenza agli acidi e agli alcali e leggerezza. La fibra aramidica è stata sviluppata e commercializzata con successo negli anni '60 da DuPont (con il nome commerciale Kevlar) e quindi, prima dell'avvento della fibra di carbonio, la fibra aramidica dominava il mercato delle fibre ad alte prestazioni.
1. Una breve storia dello sviluppo della fibra aramidica
Negli anni '60, DuPont è stata la prima azienda al mondo a introdurre e produrre la fibra aramidica con il marchio registrato Kevlar. La fibra aramidica è stata venduta sul mercato dal 1973. L'aramide è stata scoperta da una chimica di origine polacca, Stephanie Kwolek, che stava conducendo ricerche nella speranza di trovare un materiale leggero ed eccezionalmente resistente per sostituire il nylon nella produzione di pneumatici.
L'inventore della fibra Kevlar: la chimica polacca Stephanie Kwolek
Oggi, il materiale composito aramidico più famoso è la fibra Kevlar di DuPont. Nel corso del tempo, anche altri fornitori hanno fornito aramide con nomi commerciali diversi, tra cui: Nomex di DuPont, Twaron e Technora di Teijin in Giappone, Arawin di Toray in Corea del Sud, Kolon di Heracron in Corea del Sud e alcuni prodotti di aziende cinesi.
Pertanto, qualsiasi materiale chiamato Kevlar, Twaron o Nomex si riferisce in realtà all'aramide, che ha proprietà speciali, tra cui eccellente resistenza agli urti e all'abrasione, resistenza alle alte temperature e peso ridotto. Grazie a queste caratteristiche, questo materiale viene spesso utilizzato nell'esercito, nell'aeronautica, negli sport acquatici e negli sport motoristici, nonché nella produzione di pneumatici, abbigliamento, guanti protettivi e molte altre applicazioni.
Guanti protettivi realizzati in materiale in fibra aramidica
2.1 Elevata resistenza agli urti e alle crepe
La fibra aramidica ha un'eccellente resistenza agli urti e non si rompe sotto pressione grazie alla sua tenacità e capacità di assorbire una grande quantità di energia. È ampiamente utilizzato nella produzione di giubbotti antiproiettile, barche, kayak e armature per componenti di veicoli militari. La resistenza agli urti dei compositi in fibra aramidica è cinque volte quella dei compositi in fibra di carbonio (testata utilizzando il metodo dell'impatto con peso a caduta). Questa straordinaria resistenza agli urti o capacità antiproiettile è dovuta alle lunghe catene atomiche che formano la struttura aramidica.
Date le sue eccellenti proprietà di resistenza agli urti, le fibre aramidiche sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni militari per la produzione di giubbotti antiproiettile e materiali per armature di carri armati. I giubbotti antiproiettile sono generalmente costituiti da un materiale composto da dozzine di strati di aramide (come il Kevlar), con una piastra di ceramica inclusa tra due strati. Gli scudi protettivi utilizzati in alcuni veicoli corazzati sono realizzati in materiale acciaio-aramide-acciaio, che può resistere a missili anticarro fino a 700 mm di diametro.
Le fibre aramidiche sono ampiamente utilizzate nei giubbotti antiproiettile.
Inoltre, oltre a proteggere il carro armato stesso, lo scudo in acciaio-aramide-acciaio protegge anche l'equipaggio assorbendo l'energia cinetica generata dalla penetrazione dei missili. Un'altra applicazione del Kevlar è nel Boeing AH-64, un elicottero d'attacco militare statunitense dotato di pale del rotore in Kevlar. Qui il Kevlar fornisce protezione contro proiettili fino a 23 mm di diametro.
Le fibre aramidiche forniscono una protezione antiproiettile per gli elicotteri.
Per la sua elevata resistenza agli urti, il Kevlar è ampiamente utilizzato nella costruzione di barche e kayak, come gli scafi degli yacht progettati per la Volvo Ocean Race, una delle sfide sportive più impegnative. La maggior parte dei kayak ad alte prestazioni per gli sport acquatici sono realizzati in fibre aramidiche o materiali compositi in fibra di carbonio/fibra aramidica.
Le fibre aramidiche proteggono i kayak dai danni.
2.2 Bassa densità/peso ridotto
Le fibre aramidiche hanno un peso estremamente basso, il che rappresenta un vantaggio nella produzione di materiali compositi. Mentre i compositi in fibra di carbonio sono considerati molto leggeri, i compositi in fibra aramidica sono circa il 20% più leggeri dei compositi in fibra di carbonio. L'uso del tessuto aramidico nei materiali compositi aumenta la resistenza agli urti e all'usura e riduce il peso dei componenti compositi.
La densità della fibra aramidica è di circa 1,45 g/cm³, mentre la densità del materiale composito aramidico-resina epossidica è di circa 1,3 g/cm³. Questo calcolo si basa sulla densità mista di resina epossidica e indurente (~1,1 g/cm³) e sulla tecnologia avanzata utilizzata nella produzione di materiali compositi, vale a dire il preimpregnato in autoclave. Mentre i compositi in fibra di carbonio, generalmente considerati molto leggeri, hanno una densità di circa 1,55 g/cm³, i compositi in fibra aramidica sono più leggeri del 20%.
Come si confronta il peso dei compositi in fibra aramidica con quello dei metalli? L'alluminio è 2,7 g/cm³, il titanio è 4,5 g/cm³ e l'acciaio è 7,9 g/cm³. Pertanto, i compositi in fibra aramidica sono due volte più leggeri dell’alluminio, tre o quattro volte più leggeri del titanio e sei volte più leggeri dell’acciaio.
2.3 Rigidità moderata, tra fibra di vetro e fibra di carbonio
I compositi in fibra aramidica hanno una rigidità maggiore rispetto ai compositi in fibra di vetro, ma sono significativamente inferiori rispetto ai compositi in fibra di carbonio. Simili alle fibre di carbonio, le fibre aramidiche sono disponibili in molti tipi, comprese le fibre a modulo standard, medio e alto, che offrono rigidità e resistenza diverse.
La rigidità dei diversi tipi di fibre è mostrata di seguito:
Tessuto in fibra di vetro – da 72 GPa (vetro E standard) a 87 GPa (tessuto di vetro rinforzato con resistenza S);
Tessuto in fibra di carbonio – da 230 GPa (Toray T300) a 588 GPa (Toray HM grado M60J);
Tessuto in fibra aramidica – da 96 GPa (aramide standard, ovvero Kevlar 129) a 186 GPa (aramide utilizzata nell'industria aeronautica/aerospaziale, ovvero Kevlar 149).
In sintesi, i compositi aramidici realizzati con tessuti standard hanno una rigidità superiore del 30-40% rispetto ai compositi in fibra di vetro, ma sono inferiori del 50% rispetto ai compositi in fibra di carbonio.
2.4 Resistenza all'abrasione
I compositi in fibra aramidica sono stati ampiamente utilizzati in componenti soggetti a usura, come le piastre paramotore che proteggono i motori delle auto da corsa. L'aramide è comunemente utilizzata nelle industrie estrattive (come quella mineraria) per rinforzare i nastri trasportatori in gomma, garantendo maggiore robustezza e resistenza all'abrasione. Secondo il produttore del Kevlar, questo rinforzo può aumentare la resistenza all'abrasione del 50-70%. Grazie a queste proprietà, il materiale può essere utilizzato nei compositi e nell'abbigliamento da lavoro, come guanti di sicurezza resistenti al taglio che utilizzano tessuti aramidici come Twaron o Kevlar. 2.5 Costante dielettrica bassa
I compositi in fibra aramidica hanno una costante dielettrica bassa di circa 3,85 (a 10 GHz), garantendo una buona penetrazione e resistenza del segnale attraverso la copertura/radome protettiva in aramide. Questo tipo di antenna è ampiamente utilizzata per scopi militari, ad esempio sugli aerei militari.
Fibre aramidiche utilizzate nei radome militari
Gli involucri/radome compositi in fibra aramidica proteggono le antenne da danni e garantiscono buone prestazioni del segnale. Al contrario, i compositi in fibra di vetro E offrono una costante dielettrica di 6,1 (a 10 GHz), con una conseguente riduzione del 60% della potenza e delle prestazioni del segnale dell'antenna. Oltre all'aramide viene utilizzata anche la fibra di quarzo, con una costante dielettrica di 3,78 (a 10 GHz).
2.6 Altre caratteristiche
Le fibre aramidiche hanno caratteristiche di bassa dilatazione termica, sono molto stabili alle alte temperature, con dilatazione termica quasi nulla, e un coefficiente di dilatazione termica leggermente negativo, equivalente a (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Le fibre aramidiche sono ottimi isolanti e non conducono elettricità.
Una proprietà speciale dei compositi in fibra aramidica è legata all'assorbimento delle vibrazioni, che li rende adatti alla produzione di componenti che resistono alle vibrazioni, come i componenti strutturali degli aerei.
2.7 Compositi misti con altri tessuti
I tessuti in fibra aramidica possono essere regolati parametricamente secondo necessità per l'uso in compositi in fibra di carbonio e compositi in fibra di vetro, offrendo ai fornitori di prodotti compositi un'ampia gamma di possibilità.
Per i compositi in fibra di carbonio, la resistenza agli urti può essere migliorata aggiungendo diversi strati di tessuto in fibra aramidica. I compositi ibridi composti al 50% da fibra di carbonio e al 50% da fibra aramidica mostrano un miglioramento fino al 25% nella resistenza agli urti rispetto ai compositi costituiti esclusivamente da fibra di carbonio.
Tessuto ibrido fibra aramidica-fibra di carbonio
