Fibra di carbonio contro Kevlar: la guida definitiva per scegliere il composito giusto

Perché la fibra di carbonio viene scelta per componenti di auto ad alte prestazioni e per il settore aerospaziale? Allo stesso tempo, il Kevlar è la prima scelta per giubbotti antiproiettile ed elmetti balistici nei settori militare e della sicurezza. 

 Essendo i due materiali più importanti nei compositi di rinforzo, sembrano simili ma hanno i propri pregi. Che siate appassionati di materiali o neofiti, ingegneri e progettisti dei materiali, o responsabili delle decisioni nel settore dei materiali, comprendere e imparare le differenze tra fibra di carbonio e Kevlar è fondamentale per scegliere il materiale giusto che soddisfi le vostre esigenze specifiche. 

Successivamente, analizzeremo le caratteristiche di questi due materiali ad alte prestazioni, i loro scenari di applicazione e come scegliere il materiale più adatto alle proprie esigenze.

Di seguito è riportato un confronto tra i due materiali. Ci auguriamo che vi aiuti ad approfondire la conoscenza della fibra di carbonio e del Kevlar e vi guidi nella scelta dei materiali più adatti alle vostre specifiche esigenze applicative.

1. Definizioni e differenze essenziali

Fibra di carbonio: il re della leggerezza

La fibra di carbonio è un materiale fibroso ad alto modulo, alta resistenza e bassa densità, ottenuto da PAN (poliacrilonitrile), petrolio o asfalto, che viene sottoposto a cracking ad alte temperature e ha un contenuto di carbonio superiore a 90%.

Kevlar: esperto di resistenza agli urti

Il Kevlar, noto anche come fibra aramidica, è un polimero ottenuto dalla polimerizzazione di p-fenilendiammina e cloruro di tereftaloile. Possiede elevate proprietà di resistenza all'usura, alla lacerazione e alla trazione.

2. Confronto dei processi produttivi

Processo di produzione della fibra di carbonio

Preparazione del filamento grezzo (poliacrilonitrile (PAN), petrolio o asfalto) → Pre-ossidazione (200-400 °C in aria) → Carbonizzazione (1000-2000 °C in azoto privo di ossigeno) → Grafitizzazione (2500-3000 °C) → Trattamento superficiale (per migliorare le prestazioni di adesione tra la fibra di carbonio e la matrice del materiale composito, sono necessari trattamenti superficiali, apprettatura, essiccazione e altri processi).

Costo energetico: il consumo di elettricità del forno di grafitizzazione rappresenta 351 TP3T dei costi di produzione.

Barriera tecnica: la fibra di carbonio ad alto modulo richiede un controllo ambientale in atmosfera di azoto puro ad altissima temperatura.

Processo di produzione del Kevlar

Metodo di filatura in soluzione (processo brevettato DuPont): Condensazione di p-difenilammina + cloruro di tereftaloile in policondensazione di cloruro di tereftaloile (PPTA) → reazione di polimerizzazione → quindi dissoluzione del polimero in un solvente (come una soluzione concentrata di acido solforico) → lavaggio e stiramento per la filatura → infine formazione del materiale fibroso reticolato richiesto e avvolgimento in filato

Sfida ambientale: il tasso di recupero dell'acido solforico concentrato deve raggiungere il 99,8% per contenere i costi

Caratteristiche del processo: la filatura a cristalli liquidi consente di ottenere un'elevata focalizzazione molecolare.

3. Confronto delle prestazioni tra fibra di carbonio e Kevlar

La fibra di carbonio e il Kevlar presentano evidenti differenze nelle proprietà fisiche e meccaniche. La fibra di carbonio è composta principalmente da elementi di carbonio e possiede bassa densità, elevata resistenza e rigidità, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e altre proprietà. La sua densità è di circa 1,75 g/cm³ e, dopo un trattamento ad alta temperatura, può raggiungere i 2,0 g/cm³. La struttura microcristallina della fibra di carbonio le conferisce un'elevatissima resistenza e rigidità lungo l'asse della fibra, oltre ad essere anisotropa.

Al contrario, il Kevlar è un materiale in fibra composita aramidica, il cui nome completo è polifenilene tereftalammide. Possiede elevata resistenza, elevata resistenza all'usura, elevata resistenza allo strappo, resistenza al calore e ignifugazione, proprietà antistatiche e resistenza agli acidi e alle basi. La densità del Kevlar è di 1,44-1,46 g/cm³. A parità di dimensioni, è più leggero della fibra di carbonio e la sua resistenza è 5 volte superiore a quella dell'acciaio di pari qualità, ma la sua densità è solo un quinto di quella dell'acciaio.

Prendendo come esempio la fibra di carbonio e il Kevlar, un confronto dei parametri principali

Pertanto, il principale vantaggio della fibra di carbonio risiede nella sua elevata rigidità specifica (rapporto rigidità/densità), che è cinque volte superiore a quella dell'alluminio aeronautico. Presenta inoltre una buona resistenza alla fatica e un tasso di mantenimento della resistenza superiore a 95% sotto carichi ciclici.

Il principale vantaggio del Kevlar è la sua elevata capacità di assorbimento di energia. L'energia assorbita per unità di peso è 8 volte superiore a quella dell'acciaio. Possiede un'elevata resistenza al taglio e richiede una forza di 4.500 N per tagliare un singolo strato di tessuto. È la scelta ideale nel campo della protezione militare.

4. Kevlar contro fibra di carbonio: costi e prezzi: analisi dei costi

(Prendiamo come esempio la produzione di componenti per auto, in particolare i pannelli della carrozzeria)

5. Confronto dei campi di applicazione

Grazie alla sua resistenza alla fatica, all'elevata resistenza e rigidità e alla bassa densità, la fibra di carbonio è generalmente ampiamente utilizzata in strutture portanti aerospaziali, staffe, componenti automobilistici, come kit frizione, dischi frizione, cinghie, attrezzature sportive per esterni come telai di biciclette ad alte prestazioni, mazze da golf, racchette da ping-pong e da pickleball, kayak, apparecchiature mediche e attrezzature industriali.

Il Kevlar è diventato la scelta migliore per i settori militari e della protezione, come giubbotti antiproiettile, caschi da motociclista, maschere da portiere, cappucci, custodie per telefoni e altri dispositivi di protezione, come gli indumenti protettivi dei vigili del fuoco, grazie alla sua elevata resistenza alla trazione, alla lacerazione e all'usura.

6. Integrazione di tecnologie all'avanguardia

1). Tecnologia ibrida fibra di carbonio/KevlarLa fibra di carbonio può essere combinata con il Kevlar, garantendo non solo l'elevata rigidità e leggerezza della fibra di carbonio, ma anche sfruttando l'elevata resistenza agli urti del Kevlar. Ad esempio, i telai da corsa e le scocche dei droni possono utilizzare strutture di supporto principali in fibra di carbonio + rivestimenti in tessuto di Kevlar, migliorando le prestazioni del 40%.

2). Quando la superficie della fibra di carbonio è collegata con nanofili di carburo di silicio, la resistenza al taglio dell'interfaccia può essere aumentata di 65%.

3). Dopo che la fibra di Kevlar è stata drogata con nitruro di boro, la soglia di resistenza al calore supera i 600 °C.

7. Domande frequenti

1) Il Kevlar è più leggero della fibra di carbonio?

Sì, la densità del Kevlar è di circa 1,44-1,46 g/cm³, ma la densità della fibra di carbonio è di 1,7 g/cm³, quindi il Kevlar è più leggero della fibra di carbonio.

2) La fibra di carbonio è più resistente del Kevlar?

Se la dimensione di confronto orizzontale è diversa, la resistenza della fibra di carbonio e del Kevlar sarà diversa: sotto carico statico continuo, la fibra di carbonio ha una maggiore resistenza alla compressione e alla fatica (+18%), ma la capacità del Kevlar di assorbire energia esterna sotto impatto dinamico è superiore.

3) Quali sono i vantaggi dei compositi in Kevlar a nido d'ape nella costruzione navale? 

Il composito Kevlar a nido d'ape combina un nucleo a nido d'ape con fibra aramidica per garantire leggerezza, elevata resistenza alla trazione e resistenza agli urti. È antiproiettile e particolarmente adatto per la cabina resistente alla pressione delle attrezzature per l'esplorazione in acque profonde.

4) La fibra di carbonio è antiproiettile?

La fibra di carbonio da sola non è sufficientemente resistente ai proiettili per scopi pratici. Pur offrendo elevata resistenza e leggerezza, la sua fragilità e rigidità la rendono inadatta a fermare i proiettili senza il rinforzo di altri materiali in grado di assorbire energia. 

8. Conclusion

Nel campo della scienza dei materiali, il confronto tra fibra di carbonio e Kevlar non si basa su una semplice relazione di sostituzione, bensì su una combinazione tecnologica di "caratteristiche complementari". 

Attraverso un'analisi comparativa sistematica, possiamo trarre le seguenti conclusioni principali:

La fibra di carbonio resiste alle sollecitazioni statiche con resistenza e rigidità superiori, mentre il Kevlar possiede un'elevata resistenza agli urti, all'abrasione e una specifica resistenza alla trazione tale da poter sopportare danni da impatto paragonabili a quelli di un proiettile.

La scelta del materiale dipende dai requisiti prestazionali specifici per le diverse applicazioni. Se ne sfrutterete appieno le potenzialità, questi materiali potranno eccellere nei rispettivi ambiti.