Fibre di carbonio: cosa sono
Quando si sente parlare delle fibre di carbonio non si fa altro che citare un particolare tipo di materiale che ha una struttura prevalentemente filiforme e molto sottile. Come si evince dal nome precedentemente citato, il materiale utilizzato per la produzione delle fibre di carbonio risulta essere proprio il carbonio, rendendo questo genere di artefatto particolarmente adatto per la produzione di materiali compositi. Generalmente quando si effettua questo genere d’utilizzo, le fibre di carbonio servono a dare un sostegno alle altre fibre resistenti, mantenendo quindi il corretto orientamento e assorbendo tutti gli sforzi. Inoltre vi è da citare come il termine fibra di carbonio venga usato in maniera scorretta per identificare il materiale con cui è prodotto un certo oggetto, senza considerare che invece le fibre di carbonio sono solo una parte dei materiali usati.
Storia della fibra di carbonio
Le prime fibre di carbonio vennero prodotte nel 1950 da Abbott, che utilizzò un particolare processo di produzione, ossia scaldando un materiale chiamato rayon fino ad una temperatura di 1000 gradi centigradi. Mediante questa carbonizzazione si riuscì ad ottenere un materiale avente una resistenza alla trazione di 280 MPa. Durante lo stesso periodo, un altro scienziato di nome R. C. Houtz riuscì a scoprire che le fibre di carbonio potevano essere prodotte anche utilizzando un materiale diverso dal rayon, ossia dalla poliacrilonitrile, scaldandola fino a 300 gradi. I processi di produzione di questo materiale durante la storia vennero modificati e ulteriormente migliorati; un esempio è sicuramente la fibra di carbonio da fase gassosa, ottenuta per la prima volta nel 1966 e successivamente migliorata durante il 1974 da Morinobu Endo (anche se questa tipologia di fibre non venne mai commercializzata).
Struttura e proprietà delle fibre di carbonio
Le fibre di carbonio sono dotate di numerose proprietà, molte delle quali sono possedute anche dall’amianto, e sono costituite da particolari intrecci che a loro volta sono costituiti dall’unione di migliaia di filamenti di carbonio, aventi una struttura cilindrica. Inoltre vi è da citare che tale materiale possiede un’elevata inerzia chimica, specialmente quando si tratta di soluzione acquose. Le fibre di carbonio tendono a deteriorarsi molto se vengono messe a contatto con metalli o ossidi metallici a temperature che vanno oltre i 1000 gradi kelvin. Per quanto concerne la resistenza meccanica si può dire che essa abbia un valore che varia dai 2 ai 7 GPa, garantendo quindi una elevata durata a prescindere dagli utilizzi che si fanno di questo materiale.
Classificazione
Le fibre di carbonio vengono classificate in base alle caratteristiche possedute da quest’ultime, in modo da poterle commercializzare più facilmente per determinati utilizzi. Generalmente le classificazioni vengono fatte in base alle caratteristiche: - meccaniche, e quindi commercializzate secondo delle tipologie GP (General Performance, caratterizzate da una minore resistenza meccanica), LM (low modulus), HP (high performance, ossia maggiore resistenza meccanica), HT (high tensile strenght, caratterizzata da una maggiore resistenza alla trazione); -produttive, ossia quale processo è stato utilizzato per realizzare questo tipo di materiale. In questa tipologia vengono considerate fibre di carbonio alla poliacrilonitrile o PAN, alla pece isotropica o anisotropica, al rayon. - strutturali, determinate principalmente dalla materia prima utilizzata per la produzione e dalla struttura cristallina.
Domande frequenti
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Qual è la differenza tra fibra di carbonio pura e i materiali compositi?È fondamentale distinguere tra il singolo materiale e l'oggetto finale. La fibra di carbonio è solo un componente, spesso confuso erroneamente con il manufatto completo. Nella realtà, le fibre agiscono come rinforzo strutturale all'interno di una matrice (come la resina), fornendo sostegno, mantenendo l'orientamento corretto e assorbendo gli sforzi meccanici. Quindi, quando si parla di un oggetto in fibra di carbonio, ci si riferisce a un materiale composito complesso, dove le fibre garantiscono resistenza e leggerezza, ma non costituiscono da sole l'intero prodotto.
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Come si classificano le fibre di carbonio in base alle prestazioni meccaniche?La classificazione commerciale si basa principalmente sulle caratteristiche meccaniche per adattarle a specifici usi edilizi o industriali. Si distinguono diverse sigle: GP (General Performance) per applicazioni che richiedono una resistenza inferiore; LM (Low Modulus) per flessibilità; HP (High Performance) per una resistenza meccanica superiore; e HT (High Tensile Strength) specificamente progettata per offrire la massima resistenza alla trazione. Questa categorizzazione permette di selezionare il materiale ideale in base al carico che dovrà sopportare la struttura, garantendo efficienza e sicurezza.
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Quali sono le principali materie prime utilizzate per produrre fibre di carbonio?Esistono tre vie produttive principali, identificate dalla materia prima iniziale: Poliacrilonitrile (PAN), Pece Isotropa, Pece Anisotropica e Rayon. Storicamente, il Rayon fu il primo materiale utilizzato negli anni '50, seguito dalla scoperta della Poliacrilonitrile. Oggi, la scelta della materia prima influenza direttamente la struttura cristallina finale e le proprietà meccaniche del prodotto. Ogni processo richiede condizioni termiche specifiche, come la carbonizzazione a temperature elevate, per trasformare la fibra organica iniziale in una struttura stabile e resistente composta quasi esclusivamente da atomi di carbonio.
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Quanto resistono meccanicamente le fibre di carbonio e quali sono i loro limiti?Dal punto di vista meccanico, le fibre di carbonio offrono valori di resistenza eccezionali, variabili tra 2 e 7 GPa, assicurando una lunga durata e un'elevata capacità di carico. Tuttavia, presentano una vulnerabilità specifica: tendono a deteriorarsi rapidamente se esposte a metalli o ossidi metallici a temperature superiori ai 1000 Kelvin. Nonostante questa sensibilità termica, mantengono un'eccellente inerzia chimica, soprattutto a contatto con soluzioni acquose, rendendole ideali per ambienti umidi purché protette da contatti metallici diretti ad alte temperature.
