Analisi sperimentale dell’influenza di parametri di processo sulla tenacità interlaminare di prepreg in fibra di carbonio per applicazioni nautiche

di Marco Arezio

La crescente diffusione dei materiali compositi in fibra di carbonio nel settore nautico ha reso indispensabile la comprensione approfondita dei meccanismi di danneggiamento che possono comprometterne l’integrità strutturale.

Tra questi, la delaminazione—ovvero la separazione tra le lamine che compongono un laminato—costituisce una delle modalità di frattura più critiche, essendo in grado di ridurre drasticamente la rigidità e la resistenza residua della struttura, soprattutto in ambienti sottoposti a carichi ciclici o impatti accidentali. Le origini di tali fratture sono molteplici e spesso riconducibili a imperfezioni produttive, errori di progettazione o condizioni di servizio impreviste.

In tale contesto, l’ottimizzazione delle condizioni di reticolazione dei compositi a matrice epossidica e rinforzo unidirezionale in fibra di carbonio si configura come leva strategica per migliorarne la tenacità interlaminare.

L’obiettivo di questo studio è indagare sperimentalmente l’influenza di tre variabili chiave: lo spessore della lamina, la composizione della matrice epossidica e le condizioni di raffreddamento al termine del ciclo di cura.

Sono state condotte prove in modo I (Double Cantilever Beam - DCB) e in modo II (End Loaded Split - ELS) per caratterizzare il comportamento del materiale in presenza di diversi meccanismi di frattura.

Materiali e Metodi

I materiali presi in esame sono prepreg unidirezionali a base di fibra di carbonio e resina epossidica, comunemente impiegati nella cantieristica nautica ad alte prestazioni. I tre prepreg utilizzati presentano caratteristiche differenti:

- Materiale A (SE84 - grammatura 300 g/m²)

- Materiale B (SE84 - grammatura 450 g/m²)

- Materiale C (MTM57 - grammatura 300 g/m²)

La percentuale volumetrica di fibra è pari al 63% per tutti i materiali. Le lamine sono state stratificate manualmente per ottenere laminati unidirezionali da 10 o 12 strati, a seconda della geometria di prova richiesta.

Il processo di reticolazione è stato condotto mediante tecnica del sacco a vuoto, con l’impiego di peel-ply, film forato a densità variabile, bleeder e sacco in poliammide. Due varianti del ciclo di cura sono state applicate: un raffreddamento lento naturale (spegnimento del forno) e uno rapido mediante immersione in acqua e ghiaccio. La regolazione della quantità di resina nel laminato è stata effettuata variando pressione e tipologia di film forato.

Influenza dello Spessore della Lamina

Un incremento dello spessore della lamina, ottenuto passando da 300 a 450 g/m² (materiali A vs. B), ha determinato un chiaro aumento della resistenza a delaminazione durante la propagazione. Il materiale B ha mostrato, inoltre, una significativa presenza di fibre bridging, fenomeno che contribuisce alla dissipazione energetica e al ritardo dell’avanzamento della cricca. Tuttavia, il tasso di rilascio di energia all’innesco è risultato simile per entrambi i materiali, suggerendo che il contributo dello spessore si manifesti prevalentemente durante la propagazione.

Effetto della Matrice Epossidica

A parità di grammatura e fibra, il confronto tra i materiali A e C ha messo in evidenza il ruolo critico della formulazione della resina. Il materiale C (MTM57) ha presentato una maggiore energia dissipata, con un valore finale circa quattro volte superiore a quello del materiale A.

Velocità di Raffreddamento

Il raffreddamento rapido (C-R) ha comportato un aumento sia dei carichi massimi che della tenacità a frattura, in entrambi i modi di prova. Tale comportamento è attribuibile alla maggiore tenacità della matrice epossidica sviluppata durante una transizione vetrosa più rapida, a fronte di un’interfaccia fibra-matrice potenzialmente più debole. Nelle prove in modo II, tuttavia, la propagazione è avvenuta in maniera istantanea, impedendo la determinazione di R-curve ma confermando il trend tramite i valori all’innesco.

Variazione del Contenuto di Resina

L’incremento della percentuale di resina (dal 27% al 36%) ha comportato un miglioramento della resistenza in modo I, specialmente tra i livelli 27% e 33%, con un comportamento asintotico per valori superiori. L’interpretazione è legata alla maggiore estensione della zona plastica interlaminare, che consente una dissipazione energetica più efficace all’apice della cricca.

Curiosamente, in modo II si è osservato un trend inverso, con una diminuzione della tenacità all’aumentare della resina. Questo comportamento, in apparente contraddizione, suggerisce che le sollecitazioni di taglio caratteristiche del modo II penalizzino l’eccesso di matrice, che può portare a una minore coesione complessiva.

Conclusioni

L’indagine sperimentale condotta ha dimostrato che i parametri di processo nella fabbricazione di laminati in fibra di carbonio e resina epossidica influiscono in modo decisivo sulla resistenza a delaminazione. Mentre l’innesco della cricca sembra relativamente insensibile alla maggior parte delle variazioni, la fase di propagazione è fortemente influenzata da:

- Lo spessore della lamina, che favorisce fibre bridging e dissipa più energia

- La tipologia di matrice, che determina la capacità della resina di supportare lo sviluppo della zona di frattura

- Il raffreddamento rapido, che migliora la tenacità della matrice a scapito dell’interfaccia

- La percentuale di resina, che rafforza la risposta in modo I ma può indebolirla in modo II

La complessità dei meccanismi osservati e la differente risposta tra modo I e II evidenziano la necessità di un approccio multiscala e multifattoriale nella progettazione di materiali compositi ad alta prestazione, soprattutto nei settori critici come quello nautico.

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Fonti e Riferimenti

ISO 15024:2001 – “Fibre-reinforced plastic composites – Determination of Mode I interlaminar fracture toughness.”

D. R. Moore, A. Pavan, "Fracture Mechanics Testing Methods for Polymers, Adhesives and Composites", ESIS TC4.

K. Hojo et al., “Mode II interlaminar fracture of composite materials: Experimental methods and recent understanding”, Composites Science and Technology.

M. J. Hogg, “Matrix effects on interlaminar fracture toughness”, Journal of Composite Materials.