Materiali in fibra di carbonio: la guida definitiva per principianti ed esperti.

I materiali in fibra di carbonio sono ampiamente utilizzati grazie alle loro proprietà superiori. Tuttavia, molte persone hanno una conoscenza limitata di questo materiale ad alte prestazioni. Questa guida analizzerà in dettaglio la fibra di carbonio, dalla sua storia alle proprietà, dai vantaggi e svantaggi ai processi di produzione e alle applicazioni. È pensata per aiutarti ad acquisire una comprensione più approfondita della fibra di carbonio e a servire al meglio i tuoi progetti e il tuo settore.

1. Cos'è la fibra di carbonio?

La fibra di carbonio, detta anche fibra di grafite, è una fibra ad alte prestazioni contenente oltre il 90% di carbonio. Si tratta di una struttura fibrosa composta da filamenti allungati di cristalli di carbonio. È costituita da sottili fasci di fibre realizzate a partire da polimeri precursori (come PAN, rayon o asfalto di petrolio) che vengono ossidati a basse temperature e carbonizzati ad alte temperature.

2. La storia della fibra di carbonio

La fibra di carbonio esiste da oltre 150 anni, da quando fu inventata da Joseph Swan nel 1860. Dopo circa un secolo di sviluppo, nel 1960 la H.I. Thompson Fiberglas Company inventò un nuovo processo che migliorò e ottimizzò gradualmente le proprietà dei materiali in fibra di carbonio. A partire dal XXI secolo, la fibra di carbonio è stata sempre più utilizzata in diversi settori ad alta tecnologia per il suo eccellente rapporto resistenza-peso e la sua resistenza alle alte temperature.

3. Come viene prodotta la fibra di carbonio?

Sebbene siano trascorsi un secolo e mezzo dall'invenzione della fibra di carbonio, la maggior parte delle persone ne conosce ancora poco il processo di produzione. A causa dei segreti commerciali che la caratterizzano, molti produttori mantengono il processo produttivo gelosamente custodito. Vi forniremo una panoramica dettagliata del processo di produzione della fibra di carbonio, offrendovi così una guida tecnica e il supporto necessari per sfruttarla al meglio.

Poiché le fibre di carbonio vengono spesso utilizzate per realizzare materiali compositi destinati a una vasta gamma di applicazioni, il loro processo produttivo è generalmente suddiviso in due parti:

Preparazione del filamento grezzo: comporta processi fisici e chimici complessi.

• Preparazione dei precursori – Filatura: I polimeri precursori come PAN, rayon o asfalto vengono filati per formare fasci di fibre di carbonio simili a fili.
• Ossidazione e stabilizzazione: I filamenti vengono riscaldati in un ambiente stabile contenente ossigeno a circa 300-500 °C. Questo distrugge gli atomi di idrogeno e rende più stabili gli atomi di ossigeno.
• Carbonizzazione:  Le fibre di carbonio ossidate vengono ulteriormente carbonizzate ad alte temperature (circa 2000 °C) in atmosfera di gas inerte. Ciò determina un ulteriore aumento della resistenza.
• Finitura superficiale: Le fibre di carbonio carbonizzate presentano una superficie molto liscia. Per aderire meglio con resine epossidiche o di altro tipo, è necessario attivarle.
• Dimensionamento e avvolgimento: La superficie del filamento di fibra di carbonio è molto fragile, quindi viene rivestita con una resina per proteggerla e infine avvolta su una bobina per le successive fasi di lavorazione.

Produzione di compositi in fibra di carbonio:

• Pre-impregnazione: il tessuto in fibra di carbonio, o fascio di fibre, deve essere pre-impregnato con resina epossidica, un materiale termoindurente, per garantire che la resina penetri negli spazi tra le fibre.
• Formatura ad alta temperatura: il tessuto in fibra di carbonio preimpregnato deve passare attraverso la formatura per pultrusione, il processo di avvolgimento, la formatura per avvolgimento di filamenti, la formatura a caldo con pressa, la formatura RTM/sottovuoto, la formatura a pressa e la formatura in forno.

Infine, è possibile realizzarlo:

• Lastre, pannelli e tavole in fibra di carbonio
• tubo in fibra di carbonio
• Aste in fibra di carbonio
• Componenti e profili in fibra di carbonio: come tubi ottagonali, tubi esagonali, componenti per droni, componenti per autoveicoli, telai per biciclette e tubi di varie forme.

4. Vantaggi e svantaggi

Una conoscenza approfondita dei vantaggi e degli svantaggi della fibra di carbonio può aiutarti a evitare meglio i rischi nello sviluppo, nella progettazione, nella produzione del prodotto, ecc., e a migliorare le prestazioni del prodotto stesso.

Dettagli

• Bassa densità: La sua densità è di circa 1,5-1,8 g/cm³, solo 1/3 di quella dell'alluminio, quindi il suo peso è molto inferiore a quello di altri metalli.
• Elevata resistenza e rigidità: È in grado di resistere a carichi esterni di trazione e compressione senza deformarsi o piegarsi.
• Resistenza chimica: La fibra di carbonio rimane stabile e non corrosiva in diversi ambienti acidi e alcalini, ed è adatta a vari ambienti umidi e difficili.
• Resistenza alla fatica: La fibra di carbonio è in grado di sopportare carichi di stress ciclici alternati senza deformazioni o un degrado significativo delle prestazioni.
• Resistenza alle alte temperature: Stabile in ambienti fino a 2000℃.
• Bassa espansione termica: Gli studi hanno dimostrato che è dimensionalmente stabile a temperature estremamente basse e alte.

I vantaggi della fibra di carbonio sono innegabili, ma presenta anche molti svantaggi che ne limitano lo sviluppo futuro.

• Costo elevato: A causa dell'elevato costo delle materie prime, della complessità del processo produttivo e dell'alto consumo energetico, il tessuto in fibra di carbonio ha un costo elevato.
• Difficoltà di riciclaggio: Non esistono tecnologie e attrezzature di riciclaggio mature, il che rende più difficile il riciclaggio della fibra di carbonio. Inoltre, la resistenza della fibra di carbonio riciclata non può essere raggiunta con quella della fibra originale.
• Difficoltà di elaborazione: La fibra di carbonio richiede due processi: la produzione della seta grezza e la produzione del materiale composito, ognuno dei quali è molto difficile e impegnativo.

5. Tipi di fibra di carbonio

La fibra di carbonio è disponibile in molte varietà e i relativi standard di classificazione sono multidimensionali. È possibile scegliere i prodotti in fibra di carbonio più adatti in base al settore e alle esigenze del progetto.

Basato su materiale filamento grezzo:

• Fibra di carbonio a base di PAN: Questo è il tipo più comune, carbonizzato da PAN.
• Fibra di carbonio a base di asfalto: Carbonizzato a partire da precursori di asfalto derivati da petrolio o catrame di carbone.
• Fibra di carbonio a base di rayon: Realizzato in rayon (fibra di viscosa).

Modulo di trazione in base alle prestazioni:

• Fibra di carbonio a modulo elastico standard (HS): Modulo elastico 240-300 GPa, resistenza alla trazione stimata pari ad almeno 2.500 MPa o superiore.
• Fibra di carbonio a modulo intermedio (IM): Modulo elastico 300-350 GPa, resistenza alla trazione pari o superiore a 3.500 MPa.
• Fibra di carbonio ad alto modulo (HM): Modulo elastico 350-500 GPa, resistenza alla trazione almeno 2.500 MPa.
• Fibra di carbonio ad altissimo modulo (UHM): Modulo elastico >500 GPa, resistenza alla trazione pari o superiore a 2.500 MPa.

In forma di fibra:

• Filamento continuo di fibra di carbonio: Si presenta tipicamente sotto forma di filato o tessuto e viene utilizzato per applicazioni in materiali compositi.
• Fibra di carbonio tritata: Solitamente lunghi pochi millimetri o centimetri, vengono utilizzati per lo stampaggio o lo stampaggio a iniezione.
• Tappetino in fibra di carbonio: Realizzato con fibre corte disposte in modo casuale, tipicamente allo stato non tessuto.

Tessuti in fibra di carbonio in base al tipo di tessitura:

• Tessitura a saia: Presenta un motivo diagonale e ha migliori proprietà di drappeggio.
• Tessitura a tela: Un metodo di tessitura semplice con intreccio di ordito e trama, motivo a scacchiera, buona stabilità e facilità di lavorazione.

Tessitura satinata: Superficie liscia e lucida, adatta a superfici curve complesse.

6. Molteplici applicazioni del materiale in fibra di carbonio

La fibra di carbonio, in quanto materiale composito avanzato di alta qualità, grazie alle sue eccellenti prestazioni uniche e alla crescente domanda di mercato, sta ampliando il suo campo di applicazione in diversi settori, dall'alta tecnologia alla vita quotidiana. La nostra guida alle applicazioni della fibra di carbonio può fornire nuove direzioni di ricerca e sviluppo al vostro team e aiutarvi a comprendere e soddisfare al meglio le esigenze dei clienti in termini di prodotti in fibra di carbonio leggeri e ad alta resistenza.

• Aerospaziale: Ad esempio, corpi e eliche di droni, componenti strutturali di veicoli spaziali e sistemi di protezione termica.
• Settore automobilistico: Componenti dell'auto come pannelli della carrozzeria e telaio, alberi di trasmissione e sistemi di sospensione.
• Dispositivi medici: Supporti e lettini per apparecchi radiografici, protesi e ortesi
• Attrezzature per sport all'aria aperta: Componenti per biciclette, bastoncini da trekking, bastoncini da sci, remi
• Attrezzature industriali: Ad esempio, bracci robotici, componenti per robot e treppiedi per rilievi e riprese.

7. Conclusion

Le caratteristiche uniche di leggerezza e resistenza della fibra di carbonio le hanno permesso di affermarsi in diversi settori ad alta tecnologia, tra cui quello aerospaziale, automobilistico, delle apparecchiature mediche e molti altri. Nonostante gli alti costi, le difficoltà di produzione e altre limitazioni, la fibra di carbonio si è ritagliata un posto di rilievo in svariati campi. Pertanto, scegliere materiali in fibra di carbonio per il proprio progetto o settore di applicazione migliorerà notevolmente le prestazioni dei prodotti.

Domande frequenti:

1. La fibra di carbonio arrugginisce?
Essendo composta principalmente da carbonio e non contenendo metalli o altri elementi che tendono a arrugginire, la fibra di carbonio non si arrugginisce facilmente e possiede un'eccellente resistenza alla corrosione.

2. La fibra di carbonio è un materiale composito?
La fibra di carbonio è un materiale singolo, non un composito. Tuttavia, viene tipicamente combinata con polimeri termoindurenti (come la resina epossidica) per produrre materiali compositi.

3. Che cos'è un composito in fibra di carbonio?
I compositi in fibra di carbonio, noti anche come polimeri rinforzati con fibra di carbonio, sono materiali compositi rinforzati ad alta resistenza, ottenuti lavorando un substrato di fibra di carbonio e polimeri termoplastici (come la resina epossidica) ad alte temperature.

4. Quali sono le potenziali prestazioni dei compositi in fibra di carbonio?
I materiali CFRP si distinguono tra molti altri per l'eccellente rapporto resistenza-peso, l'elevata resistenza alla trazione e rigidità, nonché la resistenza alle alte temperature e alla corrosione.

5. Qual è il processo di produzione dei compositi in fibra di carbonio?
I metodi di produzione dei compositi in fibra di carbonio includono preimpregnati, stampaggio a trasferimento di resina, confezionamento sottovuoto, stampaggio a compressione, pultrusione e avvolgimento di filamenti.

Altre risorse

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers –Fonte: Wikipedia

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/carbon-fiber –Risorsa tratta da Sciencedirect