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I polimeri rinforzati con fibra di carbonio , o CFRP , sono una classe di materiali compositi a densità molto bassa e ad alta resistenza che trovano applicazioni in una vasta gamma di settori, compresi quelli che vanno dalle attrezzature per sport altamente competitivi all’industria aerospaziale. Nonostante il suo nome tecnico sia compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio, la maggior parte delle persone si riferisce a questa classe di materiali semplicemente come fibra di carbonio .
Come suggerisce il nome, questi compound sono formati da una matrice polimerica o plastica rinforzata con un tessuto in fibra di carbonio ad alta resistenza. Le proprietà finali del composito dipendono sia dal tipo di resina utilizzata che dalle particolari caratteristiche delle fibre, nonché dal modo in cui le fibre si intrecciano all’interno della matrice e dalla direzione che hanno all’interno del materiale. D’altra parte, di solito vengono aggiunti diversi additivi per modificare ulteriormente le proprietà della parte risultante.
La matrice polimerica
La matrice polimerica svolge la funzione di tenere insieme e in posizione fissa le fibre di carbonio; modella anche la parte che viene realizzata.Questa è quasi sempre costituita da una resina epossidica polimerizzata a caldo, anche se in alcuni casi vengono utilizzate resine polimerizzate ad aria o alcuni polimeri termoplastici o di altro tipo.
Nel processo di produzione delle parti, la resina epossidica può essere inclusa in diversi modi. In alcuni casi, i fogli di fibra di carbonio sono già impregnati di resina prima di essere impilati uno sull’altro; in altri casi vengono posati strati di resina cruda, seguiti da un foglio di fibra di carbonio, poi un altro strato di resina e così via.
fibre di carbonio
Processo di produzione della fibra di carbonio
Il processo di produzione delle fibre di carbonio è molto ingegnoso. In sostanza, consiste nel fabbricare e filare prima una fibra polimerica sintetica, cioè una plastica. Questo può essere preparato sotto forma di fibre, fondendo una plastica già sintetizzata e poi stirandola mentre è ancora calda, oppure tirandola mentre polimerizza. In ogni caso, il risultato finale è un filo polimerico costituito da catene con migliaia di atomi di carbonio, più idrogeno, ossigeno e forse qualche altro elemento.
Una volta ottenuta la struttura base della fibra, il passo successivo è la carbonizzazione del materiale, cioè vengono eliminati tutti gli altri atomi della struttura. Ciò si ottiene generalmente riscaldando ad alta temperatura le bobine di fibre sintetiche, sotto vuoto o in atmosfera inerte (cioè in assenza di ossigeno).
Il processo di produzione di queste fibre varia notevolmente da un produttore all’altro. La qualità e le proprietà chimiche e meccaniche dipendono in gran parte dal metodo di sintesi e fabbricazione, oltre che dal modo in cui le fibre si intrecciano durante la preparazione dei fogli che andranno a formare il composito. Per questo motivo i compositi in fibra di carbonio si possono trovare in diverse presentazioni e con fasce di prezzo molto variegate.
Laminato di fibre di carbonio
Le fibre di carbonio possono essere introdotte nella matrice plastica sotto forma di fogli contenenti fibre unidirezionali, strategicamente orientate per rinforzare il pezzo finale in determinate direzioni. La resistenza meccanica delle fibre avviene fondamentalmente lungo il suo asse, quindi se si vuole realizzare un pezzo resistente alla flessione in diverse direzioni, occorre necessariamente introdurre nel materiale delle fibre che percorrono il pezzo in dette direzioni.
Quest’ultimo è generalmente realizzato in uno dei due modi. Il primo, che è il meno costoso, consiste nel prendere fogli in cui le fibre sono tutte orientate nella stessa direzione e impilarle con orientamenti diversi. Una scelta molto comune ed efficace è quella di impilare tre fogli posti ad angoli di 0°, +60° e -60° tra loro. Questa configurazione consente una resistenza relativamente uniforme in tutte le direzioni con un minimo di strati di fibra di carbonio.
Un’altra opzione molto comune, anche se molto più costosa, è quella di utilizzare fogli di fibre di carbonio intrecciati perpendicolarmente, cioè nello stesso modo in cui si intrecciano i fili per realizzare un tessuto. Il contenimento delle fibre in due direzioni perpendicolari irrobustisce già il materiale in due direzioni, ma la trama aggiunge il grande vantaggio di ridurre drasticamente la tendenza dei fogli a separarsi l’uno dall’altro quando il materiale è sottoposto a tensione e flessione, che è un tipo molto comune di rottura in questo tipo di materiali laminati.
Produzione di parti con composti CFRP ad alto rapporto resistenza/peso ;
Come accennato in precedenza, le parti sono realizzate laminando le fibre di carbonio intervallate da un qualche tipo di resina, ma la forma generale della parte è data tramite stampi. Infatti, il processo di fabbricazione consiste nel partire da uno strato di resina sulla superficie interna dello stampo, quindi viene posizionato un foglio di fibra di carbonio che sarà visibile dall’esterno, quindi un altro strato di resina e il processo viene ripetuto.
Nel caso di fabbricazione di particolari che non richiedono forze particolarmente elevate, di solito è sufficiente pressare gli stampi mentre la resina indurisce, e in alcuni casi viene anche solitamente riscaldata. Tuttavia, quando si tratta di parti critiche che devono avere la massima resistenza possibile, come parti della fusoliera di un aereo o le ali di una vettura di Formula 1, le parti devono essere sottoposte a vuoto per eliminare eventuali bolle nella struttura che potrebbero influire sulle sue prestazioni.
Inoltre in questi casi i pezzi vengono solitamente anche ricotti in autoclave per polimerizzare più velocemente la resina. Questa esigenza rende molto costosa la produzione di parti in fibra di carbonio; Per non parlare del fatto che i fogli in fibra di carbonio sono già considerevolmente costosi.
Questo svantaggio, così come alcuni altri associati alla conduttività del materiale e alle molteplici modalità di guasto difficili da modellare durante le fasi di progettazione delle parti, significa che i compositi CFRP non possono essere utilizzati al massimo delle loro potenzialità in molte applicazioni chiave. Un esempio di ciò è stato visto quando SpaceX ha abbandonato la sua intenzione di costruire il suo prossimo veicolo spaziale di punta, l’astronave, in fibra di carbonio. Era semplicemente troppo costoso e poco pratico costruire un’autoclave abbastanza grande per costruire i vari componenti del veicolo spaziale, quindi decisero di utilizzare invece l’acciaio inossidabile, che è una scelta non ortodossa nell’industria aerospaziale.
Proprietà dei compositi CFRP
Ci sono molte proprietà uniche dei compositi CFRP che vengono sfruttate in una varietà di applicazioni. Alcuni di loro sono:
- È un materiale molto leggero e molto resistente. Ha un rapporto forza-peso molto più elevato rispetto all’acciaio e persino al titanio.
- Hanno un rapporto modulo di elasticità-peso molto elevato, superiore anche a qualsiasi metallo.
- È un materiale con un’elevata resistenza alla fatica.
- Sia la matrice polimerica che le fibre di carbonio che contiene sono chimicamente inerti, il che conferisce ai compositi CFRP un’ottima resistenza alla corrosione.
- Il suo coefficiente di dilatazione termica è molto basso, il che significa che le parti realizzate con compositi CFRP subiscono una distorsione minima quando vengono riscaldate o raffreddate.
- Hanno conduttività elettrica. La grafite è un ottimo conduttore e le fibre di carbonio sono essenzialmente grafite, quindi i composti che le contengono conducono l’elettricità, in particolare nella direzione delle fibre. A seconda dell’applicazione, questo può essere sia positivo che negativo.
Oltre a queste proprietà, i compositi CFRP possiedono anche alcune proprietà aggiuntive che possono essere svantaggiose a seconda della particolare applicazione:
- Sono sensibili alla luce ultravioletta (UV). La luce UV è in grado di promuovere un’ampia varietà di reazioni chimiche da parte dei radicali liberi che degradano sia la maggior parte delle resine polimeriche che le fibre di carbonio, distruggendone le proprietà meccaniche. Questo di solito viene risolto con uno strato di vernice che assorbe la radiazione prima che raggiunga il composto.
- In generale, i compositi CFRP hanno una bassa resistenza agli urti.
- In termini di cedimento del materiale, quando i compositi CFRP vengono spinti al limite della loro resistenza, il cedimento è spesso catastrofico perché le fibre di carbonio sono fragili. Le modalità di guasto includono la delaminazione (quando i fogli di fibre si separano l’uno dall’altro) e la rottura delle fibre.
Le proprietà dei compositi CFRP sono anisotropiche.
Va notato che la maggior parte delle suddette proprietà dei compositi CFRP sono anisotropiche, il che significa che non sono uniformi in tutto il materiale e che dipendono dalla direzione in cui vengono misurate. Ciò è conseguenza del fatto che sono costituiti da fibre ordinate che seguono direzioni ben definite. Di conseguenza, le caratteristiche del materiale lungo queste direzioni sono molto diverse dalle caratteristiche lungo direzioni diverse.
Ad esempio, il modulo a trazione di un composito CFRP con il 70% di fibre di carbonio in una resina epossidica ha un valore di soli 10,3 GPa nella direzione perpendicolare alle fibre, mentre nella direzione assiale o longitudinale lo stesso modulo vale 181 GPa. La differenza di resistenza alla trazione o alla trazione è ancora più drammatica, presentando un valore di 40 MPa nella direzione perpendicolare alle fibre mentre nella direzione longitudinale è di 1.500 MPa, quasi 40 volte superiore. Infine, il coefficiente di dilatazione di questo composto è 112,5 volte inferiore lungo le fibre rispetto alla direzione perpendicolare.
Applicazioni comuni dei compositi CFRP
Nonostante i compositi CFRP siano utilizzati in una serie di prodotti di fascia alta (perché è un materiale molto più costoso rispetto alla maggior parte delle altre opzioni), i compositi CFRP sono utilizzati principalmente in quattro settori:
nel settore aerospaziale
La prima volta che questi composti sono stati utilizzati nella produzione di aeromobili è stato negli anni ’50 e il loro uso nell’industria è solo aumentato. I modelli di aereo di linea Boeing 767 e 777 contengono rispettivamente il 3% e il 7% di composti CFRP. In quei casi sono stati utilizzati in alcuni componenti strutturali. Nel caso del nuovo modello Boeing 787 Dreamliner, invece, l’intera fusoliera e le ali sono realizzate in fibra di carbonio e questo materiale rappresenta il 50% del peso e l’80% del volume di detto velivolo; questa tendenza si osserva anche con altri produttori di aeromobili.
D’altra parte, nonostante SpaceX abbia abbandonato la fibra di carbonio per la sua Starship, un’altra azienda aerospaziale privata chiamata Rocket Lab ha appena annunciato la costruzione del suo nuovo razzo, il Neutron, che sarà un razzo riutilizzabile realizzato interamente in fibra di carbonio.
Nell’industria automobilistica
Per anni le auto da corsa più veloci del mondo sono state costruite utilizzando la fibra di carbonio. Questa non è solo una parte degli esterni, essendo il materiale principale che forma la carrozzeria e i parafanghi che tengono le auto incollate al suolo mentre accelerano, ma anche nel telaio. Infatti, tra il 60% e il 70% del peso strutturale di un’auto McLaren Formula 1 è costituito da fibra di carbonio (questo senza contare il motore, le ruote e la trasmissione).
Nel caso delle auto ad uso privato, solo le auto di fascia più alta come le auto sportive di lusso utilizzano la fibra di carbonio in qualche parte della loro carrozzeria o struttura.
Industria navale
Sia il loro peso ridotto che l’elevata resistenza alla corrosione rendono i compositi CFRP ideali per la costruzione di imbarcazioni leggere e superveloci. Tuttavia, oggi sono sempre più utilizzati nella costruzione di navi più grandi, compresi yacht e navi per uso professionale.
Oltre alla resistenza chimica che richiede meno manutenzione, il risparmio di peso è uno dei motivi principali per cui questo materiale sta penetrando in questo settore, sostituendo altre opzioni come alluminio, acciaio e persino altri composti polimerici come la fibra di vetro.
Negli sport altamente competitivi
Una delle applicazioni più comuni e visibili della fibra di carbonio nello sport è nella costruzione dei telai delle biciclette ad alte prestazioni. Indipendentemente dal ramo del ciclismo, che si tratti di mountain bike, downhill o bici da strada per il Tour de France, le migliori bici sono realizzate quasi interamente in fibra di carbonio.
D’altra parte, la fibra di carbonio è onnipresente anche in elementi strutturali sottili che devono essere molto resistenti come mazze da golf di fascia alta, canne da pesca da competizione, racchette da tennis e persino racchette da ping pong o da ping pong.
Riferimenti
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