Che cos'è il composito di carbonio?

Con il continuo aumento dei requisiti dei materiali in termini di leggerezza, alta resistenza e resistenza alla corrosione, i materiali metallici tradizionali non sono gradualmente in grado di soddisfare queste richieste. Tuttavia, il composito di carbonio si distingue per le sue eccezionali prestazioni globali, diventando l'applicazione principale nel campo dei materiali moderni. È quindi importante comprenderne la definizione, la composizione, le caratteristiche e le applicazioni nei settori correlati.

Definizione di base e composizione dei compositi di carbonio

Definizione

Il materiale composito al carbonio è un nuovo tipo di materiale composito con funzioni e proprietà meccaniche specifiche. È composto da fibre di carbonio come materiale di rinforzo e da resine, metalli, ceramiche, ecc. come materiali di matrice. Attraverso processi di stampaggio come lo stampaggio a compressione, l'avvolgimento, la pressatura a caldo e così via, i due materiali sono strettamente legati. In questo modo si ottengono prestazioni che superano di gran lunga le prestazioni combinate di un singolo materiale come l'acciaio.

Componenti chiave

Materiali di rinforzo

Il corpo di rinforzo determina direttamente le proprietà meccaniche di base, come la resistenza e il modulo del materiale. Il suo componente principale è la fibra di carbonio, che comprende molte fibre organiche come il poliacrilonitrile, le fibre di viscosa, ecc. Vengono prodotte rimuovendo le impurità e riorganizzando la struttura atomica del carbonio attraverso processi come la carbonizzazione ad alta temperatura e la grafitizzazione. Alla fine, si forma un materiale simile a una fibra con un diametro di soli 5-10 micrometri e un contenuto di carbonio superiore a 90%. In base alle differenze di prestazioni, le fibre di carbonio possono essere classificate in diversi gradi:

Grado generico (come T300)

La sua resistenza e il suo modulo sono moderati e il suo costo è inferiore; viene utilizzato soprattutto nelle attrezzature sportive e nei normali componenti industriali.

Grado ad alte prestazioni (come T800, T1100)

La resistenza alla trazione può raggiungere 5-6 volte quella dell'acciaio, il cui modulo elastico è di gran lunga superiore a quello della lega di alluminio. È quindi possibile utilizzarla per settori con requisiti di prestazioni estremamente elevati, come l'aerospaziale e le apparecchiature di fascia alta.

Inoltre, anche la forma delle fibre di carbonio, come fibre continue e fibre tagliate, influisce sulle proprietà del materiale.

Materiali a matrice

Il materiale della matrice è responsabile dell'unione delle fibre di carbonio disperse in un insieme che trasmette uniformemente i carichi esterni. Inoltre, previene i danni alle fibre di carbonio causati da ambienti difficili come la corrosione e le alte temperature. Attualmente, i principali materiali a matrice si dividono principalmente in tre categorie:

Matrice di resina

Resina epossidica:

Ha una forte adesione, un processo di stampaggio semplice e un costo controllabile, ed è la scelta preferita per le attrezzature aerospaziali e sportive.

Resina fenolica:

Ha una buona resistenza al calore e una buona resistenza alla fiamma, per cui viene utilizzato soprattutto nei componenti ignifughi.

Resina polimidica:

Può lavorare stabilmente a temperature superiori a 200℃, adatte ai componenti di alta gamma del motore.

Matrice metallica

È composto prevalentemente da metalli leggeri come alluminio, magnesio e titanio e dalle loro leghe. Possiede un'elevata resistenza e un'alta conducibilità termica, ma il processo di formatura è complesso e il costo è relativamente alto. È quindi adatto per i componenti di dissipazione del calore nei dispositivi elettronici e nelle pale dei motori degli aerei, che richiedono una conduttività termica.

Matrice ceramica

Si tratta principalmente di materiali come carburo di silicio e allumina, che presenta un'eccellente resistenza al calore e all'usura. È in grado di resistere a temperature superiori a 1000℃, ed è il materiale principale per i componenti in ambienti estremi.

Caratteristiche principali dei compositi di carbonio

Alta resistenza e alto modulo

La sua resistenza alla trazione raggiunge diverse volte quella dell'acciaio e il suo modulo elastico supera di gran lunga quello dei metalli tradizionali. Ciò consente ai componenti in materiale composito di carbonio di essere più piccoli nelle dimensioni e più leggeri nel peso, garantendo la stabilità. Inoltre, è in grado di resistere efficacemente alla deformazione, riducendo così la deformazione dell'ala e garantendo sicurezza e prestazioni di volo.

Bassa densità

Composito di carbonio hanno una densità estremamente bassa, essendo solo 1/4 - 1/5 di quella dell'acciaio e circa 1/2 di quella dell'alluminio. È quindi possibile utilizzarlo per la produzione di componenti come carrozzerie e telai di automobili, che possono ridurre significativamente il peso. Nel settore aerospaziale, riduce il peso degli aerei, riducendo i costi di lancio e aumentando il carico utile e la portata.

Resistenza alla corrosione e alla fatica

Grazie alla forte stabilità chimica e all'eccellente resistenza alla corrosione, non reagisce con acidi, alcali e sali. Può quindi lavorare a lungo in ambienti chimici difficili, prolungando la durata di vita delle apparecchiature e riducendo i costi di manutenzione. Inoltre, grazie all'eccezionale resistenza alla fatica, il danno si diffonde lentamente e la durata della fatica è lunga sotto carichi alternati.

Progettabilità

I materiali compositi al carbonio possiedono un'elevata progettabilità, le prestazioni dei componenti possono essere progettate in base alle esigenze. È possibile modificare i tipi, il contenuto, la direzione di posa e il metodo di fibre di carbonioe di scegliere diversi materiali per le matrici. Inoltre, modificando il processo di stampaggio, è possibile produrre componenti di forma complessa senza la necessità di operazioni di taglio estese. Ciò riduce gli sprechi di materiale e migliora l'efficienza, consente di soddisfare requisiti speciali in vari settori e amplia il campo di applicazione.

Principali aree di applicazione dei compositi di carbonio

Settore aerospaziale

In termini di aerei passeggeri

Riduce il peso e migliora l'efficienza del carburante, per cui la fusoliera, le ali e altri componenti principali sono ampiamente realizzati in questo materiale. Inoltre, alcuni jet da combattimento lo utilizzano per realizzare le pelli e i portelli dei vani bombe, per aumentare la manovrabilità e migliorare le prestazioni stealth.

Nel veicolo spaziale

È possibile utilizzarlo per ridurre il peso e aumentare la capacità di carico dei telai dei satelliti e dei supporti dei pannelli solari. Inoltre, può resistere a temperature superiori a 3000℃ e garantire il lancio, che può essere utilizzato per componenti ad alta temperatura.

Campo dei trasporti

Nel settore automobilistico

Poiché gli alberi di trasmissione sono 40% più leggeri del metallo, è utile per ottenere l'alleggerimento e la conservazione dell'energia. Inoltre, ha una maggiore efficienza di trasmissione, che dimezza il peso delle molle, mantenendo la resistenza alla fatica.

Nel settore dell'alta velocità

Può essere utilizzato per le scocche e i telai dei sedili del treno, riducendo il peso della carrozzeria di oltre 10%. Può ridurre il consumo di energia di trazione da 8% a 10% e ha una buona resistenza alla corrosione. Può quindi ridurre la manutenzione in ambienti umidi e costieri e diminuire i costi operativi.

Campo delle attrezzature sportive

In attrezzature a sfera

Per quanto riguarda il telaio, è 30% più leggero del metallo e ha una buona elasticità, un'efficiente trasmissione della forza e riduce le lesioni al braccio. Per le mazze da golf, è possibile regolare l'albero modificando la disposizione delle fibre per ottenere un albero rigido e una testa dura.

In attrezzature per il ciclismo e l'atletica leggera

È possibile utilizzarlo per telai e ruote di biciclette di alta gamma per ottenere un peso estremamente leggero e una forte rigidità. Utilizzato per il salto con l'asta, è utile perché l'asta immagazzina energia e aiuta gli atleti a superare l'altezza.

Settore industriale e delle nuove energie

Nell'energia eolica

Rispetto alle tradizionali pale in fibra di vetro, è 30% più leggera e più resistente alla fatica. Inoltre, può funzionare in modo stabile in presenza di forti venti marini per oltre 20 anni, adattandosi allo sviluppo dell'energia eolica su larga scala e offshore.

Nel campo dei contenitori ad alta pressione

Grazie alla sua leggerezza e alla resistenza alla corrosione, può essere utilizzato per i serbatoi di gas naturale e idrogeno. Può essere utilizzato anche nei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno dei veicoli a celle a combustibile, per ridurre il peso e migliorare l'autonomia.

Conclusione

Il composito di carbonio possiede prestazioni eccezionali, con vantaggi quali l'alta resistenza e la bassa densità. Ha ampie prospettive di applicazione in settori come l'aerospaziale, i trasporti, le attrezzature sportive e le nuove energie industriali. Inoltre, non solo guida l'innovazione tecnologica industriale, ma fornisce anche soluzioni materiali per l'alleggerimento e la conservazione dell'energia.