Proprietà della fibra di carbonio

La fibra di carbonio, caratterizzata da un'incredibile resistenza unita a un'altissima flessibilità, è uno dei materiali più resistenti in termini di proprietà meccaniche. Cosa rende esattamente la fibra di carbonio così speciale? Entriamo quindi nel vivo delle sue caratteristiche e scopriamo perché è il materiale più comune al mondo.

Che cos'è la fibra di carbonio?

Fibra di carbonio come suggerisce il nome, è costituita da microfili che legano tra loro catene di atomi di carbonio in modo cristallino. In questo modo si ottiene una fibra incredibilmente rigida, ma leggera. Si tratta di materiali compositi che si combinano con le fibre di carbonio, che conferiscono loro altre proprietà per essere utilizzati nelle applicazioni.

Come si produce la fibra di carbonio?

Il processo di produzione inizia con un precursore, in genere un polimero - il più utilizzato è il poliacrilonitrile (PAN). Il polimero si trasforma in una fibra e il riscaldamento del polimero può estrarre gli elementi non carboniosi, lasciando una lunga e sottile catena di carbonio puro. Le fasi comprendono la stabilizzazione, carbonizzazionetrattamento superficiale e dimensionamento. Tutte queste fasi sono importanti per ottenere le proprietà distintive della fibra di carbonio. Questo processo approfondito, condotto a temperature molto elevate, fa sì che le fibre prodotte siano costituite prevalentemente da atomi di carbonio strettamente legati tra loro.

Proprietà fisiche della fibra di carbonio

Densità

Ha una densità molto bassa, quindi è molto leggero. Questa proprietà si adatta bene alle applicazioni in cui il peso è una preoccupazione principale, come quelle dell'industria aerospaziale e automobilistica. Con un peso di 1,6 g/cm³, pesa in modo decadente, molto meno dell'acciaio e ancora più leggero dell'alluminio, e per questo è un materiale molto ricercato da molte industrie per il suo rapporto forza-peso.

Struttura molecolare

La composizione molecolare della fibra di carbonio è unica. Il motivo esagonale è una forma di atomi di carbonio collegati tra loro, che la rende forte come l'acciaio, pur pesando una frazione di esso. Un polimero che forma una struttura reticolare esagonale consente un'elevata resistenza all'interno della fibra, pur garantendo la flessibilità. La struttura grafitica conferisce un'elevata conducibilità termica ed elettrica, che può essere vantaggiosa per alcune applicazioni.

Flessibilità

Si tratta di una struttura modulare, flessibile e di grande resistenza. È flessibile e allo stesso tempo resistente, il che significa che può assumere forme diverse per molteplici usi. La direzione in cui le fibre sono orientate al momento della posa può determinare la rigidità o la flessibilità del materiale in fibra di carbonio, consentendo di utilizzarlo in una varietà di situazioni diverse. Per le parti che necessitano di un'elevata rigidità, si può utilizzare la fibra di carbonio unidirezionale, mentre la fibra di carbonio intrecciata viene impiegata se è richiesta una maggiore flessibilità e resistenza agli urti.

Proprietà chimiche della fibra di carbonio

Composizione chimica

Gli elementi costitutivi della fibra di carbonio sono gli atomi di carbonio. Questa struttura semplice garantisce stabilità, rendendola resistente a molte sostanze chimiche che finiscono per corrodere altri materiali. La qualità della fibra di carbonio la rende meno reattiva alle condizioni ambientali rispetto ad altri materiali. Un'altra cosa che possiamo aggiungere è che, a differenza dei metalli, la fibra di carbonio non è suscettibile alla ruggine o all'ossidazione, il che rappresenta un ulteriore vantaggio in caso di condizioni climatiche estreme.

Resistenza chimica

La fibra di carbonio è altamente resistente alla corrosione e ai danni chimici. Ciò la rende utile anche in ambienti estremi di esposizione alle sostanze chimiche. Negli impianti di trasformazione chimica, ad esempio, la fibra di carbonio viene comunemente impiegata per resistere agli agenti corrosivi che altrimenti attaccherebbero i metalli. Grazie all'elevata resistenza agli acidi, alle basi e ai solventi, i componenti in fibra di carbonio sono sicuri di essere durevoli e funzionali, anche in ambienti chimici estremi.

Proprietà meccaniche della fibra di carbonio

Resistenza alla trazione

La resistenza alla trazione della fibra di carbonio è eccellente, il che significa che può sopportare carichi di trazione elevati. Questa resistenza alla trazione la rende un prodotto comunemente utilizzato nell'industria aerospaziale e automobilistica. D'altra parte, la fibra di carbonio ha valori di resistenza alla trazione compresi tra 3,5 e 6,0 GPa, il che significa che è migliore della maggior parte dei materiali (e persino dell'acciaio) in termini di peso. La fibra di carbonio, essendo leggera e rigida, ha una resistenza alla trazione molto elevata ed è quindi ideale per l'utilizzo in applicazioni di supporto del peso.

Resistenza alla compressione

Oltre alla resistenza alla trazione, la fibra di carbonio possiede anche un'elevata resistenza alla compressione. Ciò significa che può sopportare una discreta quantità di pressione, rendendola utile nelle costruzioni o nelle applicazioni per impieghi gravosi. La fibra di carbonio ha valori di resistenza alla compressione variabili, determinati dal tipo/orientamento della fibra, ma con una resistenza all'impatto relativamente bassa. Questa proprietà rende la plastica il materiale preferito per le parti strutturali che devono sopportare carichi di compressione senza deformazioni.

Modulo elastico

Il modulo elastico della fibra di carbonio è elevato, il che significa che può essere piegata quando si applica una forza superiore al limite elastico. Questa proprietà consente alla fibra di carbonio di mantenere la propria forma anche in presenza di carichi estremi. A seconda del tipo di fibra di carbonio, il modulo elastico varia in genere da 200 a 600 GPa. La fibra di carbonio è molto più rigida del metallo, eppure questa rigidità ne consente l'utilizzo in applicazioni di precisione come le strutture aerospaziali, dove i millimetri di flessione sono considerati un difetto di progettazione.

Resistenza alla flessione

Ma la fibra di carbonio è resistente alla rottura, anche in caso di piegatura significativa. Grazie alla sua elevata resistenza alla flessione, può essere utilizzata in applicazioni che richiedono flessibilità pur mantenendo l'integrità strutturale. Poiché la fibra di carbonio è un materiale artificiale, la resistenza delle fibre varia in base al loro orientamento e alla loro stratificazione. I compositi termoplastici, come le fibre di carbonio intrecciate, sono spesso utilizzati in prodotti che richiedono una maggiore flessibilità e piegabilità, come gli articoli sportivi e i componenti automobilistici.

Forza d'urto

Pur essendo forte, la fibra di carbonio può essere fragile agli urti. Combinandola con altri materiali si ottengono compositi con un'elevata resistenza alla frantumazione, migliorando la forza d'urto del materiale. Se combinate con resine epossidiche e altri polimeri, le fibre di carbonio possono mostrare un'elevata resistenza agli urti. Per questo motivo, i compositi in fibra di carbonio sono adatti a gestire applicazioni critiche per la sicurezza, come le strutture d'urto delle automobili e le attrezzature sportive protettive.

Durezza alla frattura

Questo è utile per un particolare strato della fibra di carbonio perché quando un singolo filamento si rompe, contiene una tenacità alla frattura, che indica quanto bene blocca la crescita della crepa. Sebbene non sia difficile come alcuni metalli, è così leggera che a volte il guadagno non vale lo svantaggio per diverse applicazioni. In settori come quello aerospaziale e automobilistico, i materiali devono essere robusti e resistenti alla fatica e alle sollecitazioni, rendendo fondamentale la tenacità alla frattura. Altri progressi nella tecnologia dei compositi in fibra di carbonio, sia puri che ibridi, ne hanno migliorato la tenacità alla frattura e le applicazioni funzionali.

Proprietà termiche della fibra di carbonio

Punto di fusione

In generale, la fibra di carbonio non ha un vero e proprio punto di fusione perché non si scioglie in condizioni standard. Si rompe invece a temperature molto elevate, il che la rende ideale per le applicazioni termiche. In condizioni di non ossidazione, la fibra di carbonio può resistere a temperature fino a 3000°C. Questa resistenza al calore è utile in settori come quello aerospaziale, dove le temperature durante il rientro o il volo ad alta velocità possono raggiungere livelli incredibili.

Conduttività termica

La fibra di carbonio ha basse proprietà di conduzione termica. Mantiene la sua resistenza alle alte temperature, rendendola adatta ad applicazioni in ambienti ad alta temperatura, come quelli aerospaziali. Questa qualità la rende ideale per l'uso nell'isolamento termico, dove la resistenza al calore è un requisito essenziale, ma l'integrità strutturale deve essere preservata. Viene anche utilizzato per la produzione di utensili a temperature elevate, dove la stabilità dimensionale è fondamentale.

Conduttività termica

La conducibilità termica della fibra di carbonio è anisotropa. Il materiale conduce efficacemente il calore lungo la lunghezza delle fibre, ma isola attraverso le fibre stesse, dando luogo a proprietà uniche che possono essere sfruttate in varie applicazioni. Grazie alla sua anisotropo Grazie alla sua conducibilità termica, la fibra di carbonio trova applicazioni in cui è importante il trasferimento controllato del calore. Ad esempio, come dissipatori di calore o barriere termiche nei dispositivi elettronici e nei veicoli ad alte prestazioni.

Proprietà elettriche della fibra di carbonio

Conducibilità elettrica

La fibra di carbonio è dotata di conduttività elettrica, che è richiesta in molte applicazioni come la schermatura elettromagnetica, per questo motivo dobbiamo usarla con cautela nei luoghi in cui abbiamo bisogno di isolamento elettrico. In effetti, le associazioni con i materiali leggeri ci portano a un altro materiale carboneLa fibra di carbonio è in grado di condurre l'elettricità come la grafite, oltre alle sue altre proprietà, ed è per questo che viene utilizzata in applicazioni come la protezione degli aerei dai fulmini. Per contro, mentre il carbonio in alcune forme può condurre l'elettricità, in un tipico progetto di composito tale comportamento è visibile solo inavvertitamente, nel migliore dei casi; ciò significa che è necessario prestare attenzione all'isolamento dei componenti in fibra di carbonio in applicazioni quali dispositivi medici o componenti elettrici per evitare una conduzione indesiderata.

Gli usi della fibra di carbonio in diversi settori

Industria aerospaziale

Il peso ridotto della fibra di carbonio, unito alla sua elevata resistenza, la rende popolare in aeronautica. Per contribuire a mantenerli efficienti e sicuri, gli aerei devono essere costruiti con materiali pesanti ma leggeri. Svolge un ruolo fondamentale in molte strutture degli aerei, come le sezioni della fusoliera, le ali e i componenti interni. È quindi un materiale fondamentale per gli aerei commerciali e militari, grazie alla sua capacità di sopportare carichi elevati e temperature variabili.

Industria automobilistica

Nel settore automobilistico questo materiale viene utilizzato per migliorare le prestazioni dei veicoli. Le sue caratteristiche di leggerezza contribuiscono all'alleggerimento, che migliora il consumo di carburante e la maneggevolezza. I veicoli a basso consumo di carburante, così come le auto sportive e i veicoli elettrici, utilizzano spesso la fibra di carbonio per migliorare l'accelerazione, la frenata e la capacità di curva. I pianali sono realizzati in fibra di carbonio, così come i componenti strutturali, i pannelli della carrozzeria e i rivestimenti interni, il tutto per garantire leggerezza ed estetica.

Attrezzature sportive

Il materiale da costruzione in fibra di carbonio spectra, più leggero, è ampiamente utilizzato da molti produttori di attrezzature sportive. La resistenza e il peso ridotto della fibra di carbonio sono utili per le racchette da tennis, le mazze da golf e le biciclette. Il design in fibra di carbonio è leggero e consente agli atleti di esibirsi con maggiore abilità. Nelle biciclette, i telai in fibra di carbonio garantiscono il perfetto equilibrio tra rigidità e comfort; nel golf, gli shaft in fibra di carbonio aumentano la velocità e il controllo dello swing.

Dispositivi medici

La fibra di carbonio viene utilizzata anche nei dispositivi medici, garantendo comfort e durata. Grazie alla sua leggerezza e alla sua durata, la fibra di carbonio è stata impiegata anche nelle ruote delle sedie a rotelle e nelle protesi utilizzate in chirurgia. La sua radiotrasparenza la rende adatta all'uso in apparecchiature di imaging, in quanto non interferisce con i raggi X o altre tecniche di imaging. Questo è un vantaggio perché i componenti in fibra di carbonio possono essere utilizzati nei letti di imaging medico, consentendo di ottenere immagini chiare senza interferenze.

Costruzione

La fibra di carbonio viene utilizzata in edilizia per rinforzare le strutture. Spesso il CFRP viene utilizzato per rinforzare travi, ponti e persino edifici, dove viene legato ai polimeri. Il CFRP permette di aggiornare strutture preesistenti, consentendo loro di sopportare un carico maggiore con un minimo aumento di peso. La sua resistenza alla corrosione e al degrado ambientale lo rende particolarmente adatto a progetti infrastrutturali in ambienti difficili come le zone costiere.

Conclusione

Per definizione, la fibra di carbonio è un materiale composito in quanto forte, leggero, chimicamente resistente e versatile. Le sue diverse proprietà la rendono essenziale in diversi settori, dall'aerospaziale allo sport all'edilizia. Nel mondo dell'evoluzione tecnica, la fibra di carbonio continua a essere spinta verso nuovi ruoli e usi, segnando sicuramente il suo posto come uno dei materiali chiave del nostro mondo moderno. Le proprietà meccaniche, termiche e chimiche delle fibre di carbonio sono il motivo per cui sono uno dei materiali più popolari per le applicazioni ad alte prestazioni. La sua personalizzazione in base alle esigenze, che vanno dalla resistenza alla flessibilità e alla stabilità termica, farà sì che la fibra di carbonio continui a essere un leader nella scienza dei materiali per molti anni a venire.