La fibra di carbonio è un tessuto costituito principalmente da carbonio. Viene prodotto filando vari polimeri a base di carbonio in fibre, trattandole per rimuovere la maggior parte delle altre sostanze e intrecciando il materiale risultante in un tessuto. Questo è solitamente incorporato nella plastica, tipicamente epossidica, per formare plastica rinforzata con fibra di carbonio o composito in fibra di carbonio. Le caratteristiche più notevoli del materiale sono l’elevato rapporto resistenza/peso e la relativa inerzia chimica. Queste proprietà gli conferiscono un’ampia gamma di applicazioni, ma il suo utilizzo è limitato dal fatto che è piuttosto costoso.
Produzione
La produzione di questo materiale si basa solitamente sul poliacrilonitrile (PAN), una plastica utilizzata nei tessuti sintetici per l’abbigliamento, o sulla pece, una sostanza simile al catrame ricavata dal petrolio. La pece viene prima filata in trefoli, ma il PAN è normalmente in forma fibrosa per cominciare. Vengono convertiti in fibra di carbonio mediante un forte riscaldamento per rimuovere altri elementi, come idrogeno, ossigeno e azoto; questo processo è noto come pirolisi. L’allungamento delle fibre durante questa procedura aiuta a rimuovere le irregolarità che potrebbero indebolire il prodotto finale.
Le fibre grezze vengono inizialmente riscaldate a circa 590 ° F (300 ° C) in aria e sotto tensione, in uno stadio noto come ossidazione o stabilizzazione. Questo rimuove l’idrogeno dalle molecole e converte le fibre in una forma più meccanicamente stabile. Vengono quindi riscaldati a circa 1,830°F (1,000°C) in assenza di ossigeno in uno stadio noto come carbonizzazione. Questo rimuove ulteriore materiale non carbonioso, lasciando principalmente carbonio.
Quando sono richieste fibre di alta qualità e ad alta resistenza, avviene un’ulteriore fase, nota come grafitizzazione. Il materiale viene riscaldato tra 1,732 e 5,500°F (da 1,500 a 3,000°C) per convertire la formazione degli atomi di carbonio in una struttura simile alla grafite. Questo rimuove anche la maggior parte degli atomi residui non di carbonio. Il termine “fibra di carbonio” viene utilizzato per materiale con un contenuto di carbonio di almeno il 90%. Laddove il contenuto di carbonio è maggiore del 99%, il materiale viene talvolta chiamato fibra di grafite.
La fibra di carbonio grezza che ne risulta non si lega bene con le sostanze utilizzate per realizzare i compositi, quindi viene leggermente ossidata dal trattamento con idonei prodotti chimici. Gli atomi di ossigeno aggiunti alla struttura gli consentono di formare legami con materie plastiche, come la resina epossidica. Dopo aver ricevuto un sottile rivestimento protettivo, viene tessuto in filati delle dimensioni richieste. Questi a loro volta possono essere tessuti in tessuti, che vengono poi generalmente incorporati in materiali compositi.
Struttura e proprietà
Una singola fibra ha un diametro da circa 0.0002 a 0.0004 pollici (da 0.005 a 0.010 mm); il filato è costituito da molte migliaia di questi fili intrecciati insieme per formare un materiale estremamente resistente. All’interno di ogni filamento, gli atomi di carbonio sono disposti in modo simile alla grafite: anelli esagonali uniti tra loro per formare fogli. In grafite, questi fogli sono piatti e legati solo in modo lasco l’uno all’altro, in modo che scivolino facilmente. In una fibra di carbonio, i fogli sono piegati e accartocciati e formano molti minuscoli cristalli interconnessi, noti come cristalliti. Maggiore è la temperatura impiegata nella fabbricazione, più questi cristalliti si orientano lungo l’asse della fibra e maggiore è la resistenza.
All’interno di un composito, anche l’orientamento delle fibre stesse è importante. A seconda di ciò, il materiale può essere più forte in una certa direzione o ugualmente forte in tutte le direzioni. In alcuni casi, un piccolo pezzo può resistere a un impatto di molte tonnellate e comunque deformarsi minimamente. La complessa natura intrecciata della fibra ne rende molto difficile la rottura.
In termini di rapporto resistenza-peso, il composito in fibra di carbonio è il miglior materiale che la civiltà può produrre in quantità apprezzabili. I più resistenti sono circa cinque volte più resistenti dell’acciaio e considerevolmente più leggeri. Sono in corso ricerche sulla possibilità di introdurre nanotubi di carbonio nel materiale, che potrebbero migliorare il rapporto resistenza-peso di 10 volte o più.
Altre proprietà utili che ha sono la sua capacità di resistere alle alte temperature e la sua inerzia. La struttura molecolare è, come la grafite, molto stabile, il che le conferisce un alto punto di fusione e la rende meno probabile che reagisca chimicamente con altre sostanze. È quindi utile per componenti che possono essere soggetti a calore e per applicazioni che richiedono resistenza alla corrosione.
si utilizza
La fibra di carbonio viene utilizzata in molte aree in cui è richiesta una combinazione di elevata resistenza e peso ridotto. Questi includono il trasporto pubblico e privato, come automobili, aeroplani e veicoli spaziali; attrezzature sportive, come biciclette da corsa, sci e canne da pesca; e costruzione. La relativa inerzia del materiale lo rende adatto per applicazioni nell’industria chimica e in medicina: può essere utilizzato negli impianti poiché non reagisce con le sostanze nel corpo. Nell’ingegneria civile, è stato stabilito che i vecchi ponti possono essere risparmiati dalla distruzione e dalla ricostruzione attraverso semplici rinforzi in fibra di carbonio, che sono relativamente più economici.
Economia
A partire dal 2013, gli usi e la domanda per la fibra di carbonio sono stati limitati dal suo costo. Una bicicletta realizzata in materiale composito in genere costa circa qualche migliaio di dollari USA (USD). Le auto da corsa di Formula 200, che viaggiano a velocità superiori a 320 mph (1 km/h), possono costare oltre $ XNUMX milione di dollari per la costruzione e la manutenzione, un costo determinato in gran parte dall’uso generoso di questo materiale. La domanda è aumentata in modo significativo, tuttavia, principalmente a causa dell’aumento della produzione di grandi aerei commerciali. Se il costo può essere notevolmente ridotto, può diventare un materiale universale per veicoli e piccoli prodotti progettati per una durata e una leggerezza estreme.