Attualmente, i materiali compositi sono diventati uno dei quattro principali sistemi di materiali insieme ai materiali metallici, ai materiali polimerici e ai materiali inorganici non-metallici. Il livello dell'industria dei materiali compositi di una nazione è diventato un indicatore chiave della sua forza scientifica, tecnologica ed economica. I materiali compositi avanzati rappresentano una fonte di vantaggio competitivo per la sicurezza nazionale e l’economia. Si prevede che entro il 2020 solo i materiali compositi avranno il potenziale per ottenere un miglioramento delle prestazioni del 20%–25%.
1. Applicazioni nelle strutture della fusoliera degli aeromobili
I materiali compositi avanzati vengono utilizzati per produrre strutture portanti-primarie e strutture portanti-secondarie, offrendo rigidità e resistenza paragonabili o superiori a quelle delle leghe di alluminio. Questi materiali sono ora ampiamente applicati nella produzione di strutture di fusoliera di aeromobili e di strutture integrate di piccoli veicoli aerei senza pilota (UAV). Gli Stati Uniti hanno ampiamente adottato i compositi negli aerei da combattimento e negli aerei da combattimento. Negli anni '60, gli Stati Uniti hanno utilizzato per la prima volta la plastica rinforzata con fibra di carbonio ({8}}CFRP) negli aerei militari per componenti quali porte di cabina, pannelli di accesso, carenature e superfici di controllo (ad esempio, alettoni e timoni) con requisiti di carico bassi o nulli. All'inizio degli anni '80, i compositi avanzarono fino ai componenti di coda come gli stabilizzatori verticali e orizzontali (strutture portanti secondarie-), come visto in aerei come F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 e Mirage 4000. Durante questa fase, l'uso dei compositi rimase limitato. Verso la fine degli anni '80, i caccia di quarta generazione come l'F-22 e l'F-35, JSF iniziò a incorporare compositi nelle principali strutture portanti come ali e fusoliere, accelerando l'integrazione dei compositi negli aerei militari. L'utilizzo di materiali compositi ha continuato ad aumentare (Tabella 1-2), rappresentando ora il 20%-50% della massa strutturale dei moderni aerei militari.
L'azienda britannica ICI ha utilizzato GF/PA (probabilmente poliammide rinforzata con fibra di vetro-) per produrre valvole per aerei da caccia, garantendo che queste valvole mantenessero prestazioni e stabilità dimensionale anche dopo un'esposizione prolungata al carburante in un ampio intervallo di temperature. Du Pont ha utilizzato anche materiali come GF, KF/PA e PPS (polifenilene solfuro) per produrre componenti per aerei militari.
Prendendo come esempio il caccia F/A-22 di quarta generazione, i compositi rappresentano il 24,2% dei suoi materiali strutturali. Tra questi, i compositi termoindurenti costituiscono il 23,8%, mentre i compositi termoplastici costituiscono circa lo 0,4%. Circa il 70% dei compositi termoindurenti sono a base di resina bismaleimide (BMI), utilizzata per produrre oltre 200 tipi di componenti complessi. I restanti materiali termoindurenti sono costituiti principalmente da compositi a base di resina epossidica-, con l'utilizzo aggiuntivo di compositi a base di esteri di cianato e resina termoplastica-. Le principali aree di applicazione includono ali, rivestimenti della parte centrale della fusoliera, telai e sezioni di coda.
Anche gli aerei ad ala militare utilizzano ampiamente i compositi. Ad esempio, il velivolo convertiplano V-22 Osprey utilizza materiali compositi per oltre il 40% della sua massa strutturale, compresa la fusoliera, le ali, la coda e i meccanismi di rotazione, per un totale di oltre 3.000 kg di materiali compositi. L'ultimo elicottero d'attacco europeo Eurocopter Tiger presenta materiali compositi nell'80% dei suoi componenti strutturali, avvicinandosi a una cellula completamente composita. Al contrario, gli aerei da trasporto militare utilizzano meno compositi-C-17 all'8% e C-130J ad appena il 2%, sebbene l'Airbus A400M da trasporto militare incorpori un'ala interamente composita, con i compositi che rappresentano il 35% della sua massa strutturale quando è vuoto.
Nell'aviazione civile, gli aerei leggeri Star™ a pilota singolo-costruiti negli Stati Uniti all'inizio degli anni '80 avevano una massa strutturale di circa 1.800 kg, con i compositi che superavano i 1.200 kg. L'aereo leggero Voyager del 1986, con oltre il 90% della sua struttura composta da compositi in fibra di carbonio, stabilì un record mondiale per un volo continuo senza-stop per nove- giorni attorno-al mondo. Oggi, la rivalità tra i giganti aerospaziali Boeing e Airbus si è intensificata, con un focus chiave sull’aumento dell’utilizzo di materiali compositi (Figura 1-2).
Per produrre la prima fusoliera dell'aereo 787 interamente-composita, Boeing ha adottato un metodo di posizionamento delle fibre simile a quello utilizzato da Raytheon. Il processo ha creato un componente composito della fusoliera che misura 7 metri di lunghezza e 6 metri di larghezza. Questa struttura è stata prodotta utilizzando la tecnologia Automatic Fiber Placement (AFP) su un massiccio mandrino rotante. Il mandrino è stato pre-lavorato con scanalature corrispondenti alla forma e alle dimensioni dei longheroni e dei longheroni della fusoliera. Traverse e travi preformate (realizzate con strati preimpregnati di fibra di carbonio e polimerizzati a pressione-) sono state posizionate in queste scanalature prima dell'avvolgimento. Durante la produzione, il mandrino ruotava lungo il proprio asse, consentendo l'avvolgimento continuo delle fibre sullo stampo per formare il guscio della fusoliera, con le aperture delle finestre lasciate libere. Il guscio della fusoliera, insieme alle travi e ai longheroni, è stato poi polimerizzato in autoclave-per creare una sezione di fusoliera composita monolitica, che è stata successivamente smontata come prodotto finale.
La sezione composita della fusoliera del Boeing 787 non è solo il componente di fusoliera a filamento-avvolto più grande al mondo, ma è anche riconosciuto come il più grande recipiente a pressione in fibra di carbonio mai prodotto. L'eccezionale resistenza alla trazione/cerchio del materiale composito gli consente di sopportare una pressione in cabina più elevata, mantenendo una pressione interna equivalente a un'altitudine di 6.000 piedi (1.830 metri)-rispetto ai tipici 7.000-9.000 piedi degli aerei convenzionali-migliorando significativamente il comfort dei passeggeri. Inoltre, i compositi resistono alla corrosione (uno dei principali punti deboli delle cellule dei velivoli in metallo), consentendo all'umidità della cabina di rimanere stabile al 10–15% (rispetto al 5–10% delle fusoliere metalliche), migliorando ulteriormente il comfort.
Sotto la crescente influenza della tecnologia composita, Airbus ha completamente riprogettato l'A-350, ribattezzandolo A-350 XWB (Extra Wide Body). L'aereo ha aumentato l'utilizzo di materiale composito dal 40% originale al 52%. La fusoliera dell'A-350 XWB è 13 cm più larga rispetto a quella del 787, consentendo una configurazione di posti a sedere di 9 affiancati in layout ad alta densità (rispetto al massimo di 8 affiancati del 787). Come il 787, l'A-350 XWB manterrà la pressione in cabina ad un'altitudine equivalente di 6.000 piedi.
Il 14 giugno 2013, Airbus ha effettuato con successo il primo volo del suo nuovo aereo wide-a fusoliera larga A350 XWB, segnando un'altra pietra miliare nel settore dell'aviazione globale dopo il B-787 "Dreamliner" di Boeing. L'A350 XWB e il B-787 utilizzano rispettivamente il 52% e il 50% di materiali compositi, a significare una nuova era nello sviluppo dei compositi aerospaziali.
L'A-380 da 555-posti, l'aereo più grande del mondo, ha compiuto imprese rivoluzionarie nella storia dell'aviazione utilizzando ampiamente la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP). I materiali compositi costituiscono il 25% della massa dell'aereo, di cui il 22% è CFRP e il 3% è GLARE laminato in fibra metallica (un ibrido stratificato di compositi in alluminio e fibra di vetro), il primo utilizzo di quest'ultimo negli aerei civili. I componenti in CFRP includono: freni di velocità, stabilizzatori verticali e orizzontali (che fungono anche da serbatoi di carburante), elevatori, alettoni, spoiler per flap, porte del carrello di atterraggio, carenature, scatole delle pinne di coda verticali, travi del pavimento della cabina superiore, paratie di pressione posteriori, sezioni posteriori della fusoliera, stabilizzatori orizzontali e alettoni.
Seguendo l'uso pionieristico dell'A-340 della fibra di carbonio per la trave della chiglia e le paratie di pressione posteriori in materiale composito-rompendo le barriere progettuali tradizionali-l'A-380 ha sfidato ulteriormente le norme ingegneristiche adottando CFRP per il suo box alare centrale (che collega le ali alla fusoliera). Questa innovazione da sola ha ridotto il peso di 1,5 tonnellate rispetto alle leghe di alluminio avanzate. Il risparmio di peso del CFRP, combinato con la resistenza alla fatica e alla corrosione, ha migliorato l'efficienza del carburante del 13% rispetto ai modelli concorrenti e ha ridotto le emissioni. L'A-380 è diventato il primo aereo a lungo raggio a raggiungere meno di 3 litri di carburante per passeggero per 100 km, con costi operativi inferiori del 15-20% rispetto all'aereo più efficiente del suo tempo.
Il business jet Falcon 7X di Dassault Aviation, capace di volare a 12.000 metri con una velocità massima di Mach 0,8, può ospitare 8 passeggeri e vanta un'autonomia di 10.560 km (5.700 miglia nautiche). Il jet leggero Beechcraft Premier 1 di Raytheon raggiunge una velocità di crociera di 835 km/h con un'autonomia di 2.759 km-entrambi dotati di fusoliere tutte-composite avanzate.
Anche il nuovo aereo da trasporto giapponese, ALELEX, incorpora importanti compositi in fibra di carbonio.
La Cina ha inoltre ampiamente utilizzato materiali compositi nella progettazione e produzione di aeromobili. Ad esempio, il prepreg in fibra di carbonio unidirezionale bismaleimide QY8911/HT3 e il materiale composito sviluppati e prodotti dall'Istituto di ricerca sulla tecnologia di produzione aeronautica di Pechino sono stati applicati a componenti come la sezione anteriore della fusoliera, lo stabilizzatore verticale della coda, i pannelli esterni delle ali, gli spoiler e le carenature aerodinamiche degli aerei. Il preimpregnato e il materiale composito in resina termoplastica PEEK/AS4C in fibra di carbonio unidirezionale sviluppati dall'Istituto di materiali aeronautici di Pechino presentano eccezionali tenacità alla frattura, resistenza all'acqua, resistenza all'invecchiamento, ritardo di fiamma e resistenza alla fatica. Adatti per la produzione di strutture primarie-portanti di aeromobili, questi materiali possono funzionare a lungo-termine a 120 gradi e sono stati utilizzati nel rivestimento anteriore dei pannelli del vano del carrello di atterraggio degli aerei.
L'aereo militare cinese "Flying Leopard", che incorpora importanti componenti compositi in fibra di carbonio, ha una lunghezza complessiva di circa 22,3 metri, un'apertura alare di 12,7 metri, un peso massimo al decollo di 28,4 tonnellate, una capacità di carico utile esterno massima di 6,5 tonnellate, una velocità massima di Mach 1,70 e un'autonomia di circa 3.600 chilometri. Con capacità di combattimento che superano quelle degli aerei Jaguar, Tornado e Su-24, il Flying Leopard dimostra caratteristiche coerenti con gli aerei da combattimento di terza generazione.
2. Applicazione dei materiali compositi nello stealth degli aerei
Negli ultimi decenni sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca di materiali compositi stealth, che si stanno evolvendo verso caratteristiche di "sottilezza, leggerezza, assorbimento (spettrale) a banda larga e resistenza (resistenza agli urti, resistenza alle alte-temperature)." I compositi rinforzati con fibra di carbonio-non sono solo materiali strutturali leggeri e ad alta-resistenza, ma possiedono anche funzionalità stealth critiche. Ad esempio, CF/PEEK o CF/PPS mostrano eccellenti prestazioni di assorbimento a banda larga, assorbendo efficacemente le onde radar. Gli Stati Uniti sono stati i pionieri nell'uso di materiali stealth negli aerei, di cui l'F-117 e l'F-22 sono quelli con il rivestimento più pesante. Il rivestimento stealth dell'F-117 era molto complesso e incorporava fino a sette materiali diversi.
La struttura primaria del caccia supersonico F-22 statunitense utilizza plastiche tecniche speciali rinforzate con-fibra di carbonio a modulo medio-. Allo stesso modo, le coperture del paracadute di decelerazione del caccia Mirage III e i componenti del sedile eiettabile sono realizzati con tali materiali, che sono stati applicati con successo a parti che assorbono i radar-come centine, rivestimenti, connettori e dispositivi di fissaggio dell'aereo. Anche l'involucro del missile da crociera Tomahawk, il substrato della cellula del bombardiere stealth B-2 e le sezioni dell'aereo stealth F-117A impiegano materiali polimerici assorbenti i radar in fibra di carbonio.
Nel 2000, l'aeronautica americana ha aggiornato i materiali stealth dell'F-117, sostituendo il rivestimento originale a sette-strati con un unico materiale. Questa modifica ha standardizzato le procedure di manutenzione e i materiali-assorbenti i radar in tutti gli F-117, riducendo le specifiche tecniche di circa il 50%. Dopo l'-aggiornamento, il tempo di manutenzione per ora di volo per l'F-117 è stato ridotto di oltre la metà e i costi di manutenzione annuali per tutti i 52 F-117 sono scesi da 14,5 milioni a 6,9 milioni. A differenza dell'F-117, l'F-22 evita rivestimenti radar-assorbenti su tutto il corpo ma applica rivestimenti radar-assorbenti in ferrite a tutti i componenti metallici interni ed esterni. Questo rivestimento è durevole, resistente all'usura e più facile da applicare rispetto al sistema dell'F-117.
Gli esperti prevedono che entro il 2030, compositi avanzati come materiali polimerici elettrocromici, materiali semiconduttori ibridi, nanocompositi e tecnologie stealth intelligenti saranno praticamente implementati negli aerei. Queste innovazioni potrebbero trasformare radicalmente i sistemi avionici e le metodologie di controllo degli aerei.
Fonte:Materiali compositi per l'aviazione e loro analisi meccanicadi Haitao Cui e Zhigang Sun (a cura di)