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Stefano Beltrando, di QI Composites, azienda piemontese leader mondiale nell’analisi strutturale delle imbarcazioni hi tech, ci invia questo interessante articolo sul problema degli alberi in carbonio colpiti da fulmini. L’autore è Miriam Cerutti, responsabile tecnica QI Composites srl.

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Sempre più spesso veniamo a conoscenza che questa o quell’altra barca ha avuto l’albero colpito da un fulmine durante un temporale. La maggior parte degli eventi avviene durante la sosta dell’imbarcazione in porto e di solito, se ci fate caso, capita sempre alla barca con l’albero più alto e realizzato in fibra di carbonio. Perché? Ovviamente non per caso, ma per le leggi della fisica.

Un fulmine, infatti, altro non è che il passaggio di carica elettrica dalla nube temporalesca al suolo, che avviene in modo repentino e violento: la scarica elettrica.

A causa dell’effetto punta le cariche elettriche distribuite sulla superficie di un conduttore si concentrano nelle parti che presentano un raggio di curvatura minore, cioè quelle più appuntite, come ad esempio un albero di una barca a vela. Le cariche elettriche si spostano all’interno di materiali conduttori (es. metalli, fibra di carbonio), il loro moto in materiali non conduttori (gli isolanti come ad esempio il legno) è invece ostacolato. In presenza di maggiori quantità di carica, il campo elettrico è più intenso e, di conseguenza, l’energia potenziale elettrostatica è a sua volta più grande: da queste zone con maggiori concentrazioni di energia partirà con molta più facilità una scarica elettrica.

La via preferenziale che seguirà il fulmine è lungo il cammino a minor resistenza elettrica specifica, fintanto che questo cammino è sufficiente a trasferire l’intera scarica.

Un albero in materiale composito è un laminato monolitico di fibra di carbonio impregnata con resina epossidica. Per quanto il carbonio sia un buon conduttore, il composito di carbonio + resina epossidica è un cattivo conduttore rispetto al rame o all’acciaio, di conseguenza l’albero non è la via preferita da una scarica elettrica come un fulmine.

Può però accadere che la messa a terra non sia correttamente realizzata o che sia sottodimensionata per la scarica, in tal caso quindi il fulmine sceglierà almeno parzialmente un’altra via.

 

E cosa può accadere a un albero in composito se attraversato da una scarica di un fulmine?

Innanzitutto sarebbe bene cercar di capire la via o le vie che la scarica elettrica ha percorso. La scarica elettrica percorre la via con minor resistenza, ovvero attraverso i materiali più conduttori dal punto di vista elettrico.

Se la scarica elettrica attraversa la struttura dell’albero, il laminato composito si surriscalda durante e lungo il suo passaggio; la resina è infatti una materiale isolante ed il passaggio di una corrente elettrica causa riscaldamento resistivo. Il surriscaldamento può modificare i materiali che costituiscono l’albero, ed in particolare la resina, ovvero la matrice del composito il materiale che tiene insieme le fibre di carbonio, modifica le sue proprietà con l’aumento della temperatura.

  1. Se la temperatura massima raggiunta dalla resina è al di sotto della temperatura di transizione vetrosa (Tg), ovvero minore di circa 100-120°C, la resina rimane nel suo stato vetroso e le sue proprietà meccaniche rimangono così come previste. In questo caso non bisogna attendersi danni causati dal passaggi del fulmine
  2. Se la temperatura massima raggiunta dalla resina oltrepassa la Tg, ma non raggiunge la temperatura di combustione intorno ai 200-250°C, lo stato della resina si modifica e diventa gommoso con conseguente drastico abbassamento delle proprietà meccaniche. Durante questo suo stato gli stress interni del laminato possono causare delaminazioni perché le proprietà meccaniche della resina non sono più sufficienti a tenere insieme gli strati di fibra di carbonio. Passata la scarica elettrica, il materiale si raffredda e la resina ritorna nel suo stato vetroso originale, ma le delaminazioni rimangono e devono essere riparate.
  3. Se il laminato raggiunge la temperatura di combustione della resina, ovvero la temperatura è maggiore di 200-250°C, la resina brucia. La combustione è un processo non-reversibile ed il laminato dovrà essere ripristinato laddove la resina è stata danneggiata.

 

In sintesi, i possibili danni all’albero causati da una scarica di una fulmine sono:

  • delaminazioni
  • degrado della resina per surriscaldamento

 

Quali test possono rilevare tali danneggiamenti?

  • Il test con ultrasuoni rileva eventuali delaminazioni
  • Test chimici quali DSC e FT-IR sulla resina permettono di verificarne le proprietà e identificare le zone di laminato laddove la matrice è degradata per combustione.

Test FT-IR, risultati

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La foto mostra due campioni dello stesso laminato; essi appaiono uguali alla vista, ma quello evidenziato in magenta è stato surriscaldato in forno a 350°C per 15minuti.

Il test FT-IR permette invece di identificare ciò che alla vista può non apparire. I grafici seguenti mostrano infatti gli spettri FT-IR rilevati sullo stesso campione a tre step di massima temperatura raggiunta:

 

Blu, Campione non danneggiato

Verde, Campione riscaldato a 250°C

Magenta, Campione riscaldato 350°C

Il primo grafico rappresenta lo spettro FT-IR completo (tra 4000 e 650 cm-1) per i tre casi; il secondo grafico è uno zoom sulla zona più interessante tra 1800 e 650 cm-1.

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Nei grafici sono mostrati i picchi caratteristici della resina epossidica. Si osserva chiaramente che il surriscaldamento distrugge i legami molecolari: i picchi caratteristici si abbassano fino a scomparire, mentre il rumore aumenta fino a raggiungere uno spettro con picchi indefiniti, eccetto un largo picco frastagliato tra 1700 e 1600 cm-1 nel terzo caso (vedi zona delimitata in giallo).

 

Ma che cosa è il test FT-IR e cos’altro può indagare?

Non è magia, la spettroscopia a trasformata di Fourier è un metodo chimico di analisi non distruttiva per l’identificazione dei materiali tramite l’analisi delle vibrazioni dei legami molecolari; essa si basa sull’assorbimento da parte dei materiali della radiazione infrarossa. Un componente (spettrometro) focalizza la radiazione infrarossa sul campione per misurare sia le lunghezze d’onda assorbite dal materiale sia l’intensità dell’assorbimento. Si produce quindi uno spettro tramite un’operazione matematica chiamata trasformata di Fourier. Gli spettri possono fornire informazioni sia qualitative sia quantitative. Le lunghezze d’onda assorbite dal campione sono caratteristiche dei gruppi chimici presenti nel campione. L’intensità di assorbimento a una definita lunghezza d’onda indica la concentrazione del gruppo chimico responsabile dell’assorbimento.

Il laboratorio di Q.I. Composites è equipaggiato con uno spettrometro a trasformata di Fourier portatile disegnato per applicazioni e analisi non distruttive in-situ. Polimeri, liquidi, solidi, gel, compositi, vernici, rivestimenti possono essere analizzati da questa strumentazione.

In campo nautico, un altro tema interessante è valutare l’effettiva pulizia degli agenti distaccanti prima della laminazioni, o valutare, a seguito di problemi di processo, se una delaminazione è stata causata da residui di contaminazione o distaccante.

Ad esempio nel caso seguente l’agente di rilascio corrisponde alla curva blu, le curve verdi sono gli spettri di un laminato in pre-preg a base epossidica. Si osserva che la superficie di tale laminato non è contaminata in quanto l’assenza negli spettri verdi del picco a 740cm-1 indica che non vi è traccia di contaminante. (Miriam Cerutti)

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Foto di danni causati da fulmini su alberi in carbonio

Piede d’albero – bruciature in corrispondenza dell’uscita della scarica a piede d’albero

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Attacchi crocette – bruciature e delaminazione a causa della scaria elettrica attorno agli attacchi crocette.

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Testa d’albero – ampie bruciature e delaminazioni sulla testa d’albero

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Il fulmine ha colpito la base degli strumenti in testa d’albero

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 Attacchi strallo

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D4 di sinistra

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www.qicomposites.com

 

 

 

 

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