17.07.2026
Un intermedio di grafene ottenuto a microonde porta a 68,9 MPa la resistenza interlaminare dei laminati per serbatoi di idrogeno

I serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno di Tipo IV, costruiti con un liner polimerico avvolto da un composito in fibra di carbonio e resina epossidica, si sono affermati come soluzione dominante grazie alla loro elevata efficienza gravimetrica e continuano a essere il terreno su cui si cerca resistenza strutturale aggiuntiva senza aggiungere massa. La bassa densità energetica volumetrica dell’idrogeno impone infatti pressioni di esercizio molto elevate e la strada tradizionale per garantire margine di sicurezza consiste nell’aumentare lo spessore di parete, scelta che riduce la capacità di stoccaggio gravimetrico e comprime l’efficienza complessiva del sistema. Il rinforzo su scala nanometrica agisce su questa stessa esigenza intervenendo sull’interazione fra fibra e matrice, con effetti misurabili già a concentrazioni inferiori all’uno per cento in peso.

Una ricerca recente ha messo a confronto quattro materiali a base di grafene incorporati in laminati in fibra di carbonio e resina epossidica: un intermedio grafenico assistito da microonde, indicato come MGI, due materiali grafenici ottenuti per via bottom-up, BGM1 e BGM2, e un materiale grafenico ottenuto per via top-down, TGM. La procedura di fabbricazione prevedeva la miscelazione del materiale grafenico con la resina epossidica, la sua dispersione omogenea mediante agitazione e sonicazione a sonda e la successiva realizzazione dei laminati, sottoposti poi a prove di taglio su trave corta e a prove di impatto a bassa velocità su apposito banco. L’obiettivo era stabilire quale morfologia del grafene produca il beneficio maggiore quando entra nella struttura di un serbatoio.

L’MGI si è distinto per una struttura espansa, di aspetto vermiforme, con schegge di grandi dimensioni e porosità gerarchica. L’analisi morfologica ha evidenziato strutture parzialmente esfoliate con dimensione media delle schegge intorno ai 32 micrometri e reti di pori interconnessi estese su più scale di lunghezza, un’architettura che aumenta la superficie disponibile mantenendo integra la struttura e che favorisce l’infiltrazione della resina, il legame interfacciale e il trasferimento del carico fra le fibre di carbonio e la matrice epossidica. La caratterizzazione strutturale ha inoltre mostrato che l’MGI conserva il più alto contenuto di carbonio sp² fra i materiali valutati, con una funzionalizzazione a ossigeno relativamente bassa e difetti strutturali limitati, condizione che preserva le proprietà meccaniche intrinseche del grafene e mantiene comunque un’attività superficiale sufficiente a interagire con la resina.

La dispersione si è rivelata il parametro decisivo: attraverso la mappatura Raman i ricercatori hanno verificato quanto uniformemente ciascun materiale si distribuisse nella matrice, e hanno riscontrato che nel caso dell’MGI l’uniformità si mantiene fino a un carico dello 0,1 per cento in peso, oltre il quale l’agglomerazione diventa progressivamente evidente e le prestazioni meccaniche cominciano a calare. Gli altri materiali grafenici hanno manifestato lo stesso fenomeno di clustering a concentrazioni ancora inferiori. Le particelle ben disperse rinforzano la regione interlaminare cucendo le microfessure e migliorando l’interazione fibra-matrice, mentre un carico eccessivo introduce irregolarità strutturali che degradano il laminato.

I risultati più netti sono emersi dalle prove di taglio su trave corta, che misurano la qualità del legame fibra-matrice e la resistenza interlaminare. I laminati contenenti lo 0,1 per cento di MGI hanno registrato un incremento della resistenza al taglio su trave corta di circa il venti per cento rispetto ai laminati non modificati, raggiungendo 68,9 MPa e superando tutte le altre varianti grafeniche in prova, con un guadagno attribuito alla combinazione di trasferimento efficace degli sforzi, rafforzamento del legame interfacciale e ponte sulle cricche consentito dalla struttura dell’MGI. Le prove di impatto a bassa velocità condotte a 20 joule, rappresentative degli urti accidentali e dei danni operativi che un serbatoio deve tollerare senza cedimento catastrofico, hanno mostrato per i compositi rinforzati con MGI un aumento della forza di contatto massima di circa il venticinque per cento e un miglioramento dell’assorbimento energetico di circa il quattordici per cento, con evidenze di deflessione delle cricche, deformazione plastica della matrice e meccanismi di ponte fra le facce di frattura.

La selezione condotta con i metodi decisionali multicriterio TOPSIS ed EXPROM2 ha individuato in modo indipendente l’MGI come opzione a prestazione più elevata, per la combinazione di grande dimensione delle schegge, struttura grafitica conservata, porosità controllata e comportamento meccanico. A questo si aggiunge il dato industriale che ne condiziona l’adozione: fra i materiali studiati, l’MGI ha fatto registrare la domanda energetica e il costo di produzione più bassi, il che lo colloca come alternativa economica e scalabile per la progettazione sostenibile dei serbatoi in laminato carbonio-epossidico.