Le fibre di carbonio

Cosa sono le fibre di carbonio

Le fibre di carbonio sono materiali aventi una forma filiforme che hanno uno spessore molto piccolo. Realizzati in carbonio, vengono utilizzati in particolar modo nella creazione di molti tipi di oggetti compositi, chiamati così poiché sono costituiti da più di un materiale. In questo caso tali oggetti sono formati da fibre di carbonio e una matrice che può essere di resina, plastica o metallo. La matrice ha la funzione di irrigidire e quindi di dare una forma rigida alle fibre resistenti, per far sì che tengano la giusta orientazione nel recepire gli sforzi, ma anche di preservare le fibre. Quando si realizzano strutture in materiali compositi, le fibre di carbonio vengono intrecciate in panni in carbonio, poi una volta assunta la posa vengono immerse nella matrice. Le caratteristiche delle fibre di carbonio sono la densità bassa, la resistenza meccanica, la resistenza a variazioni di temperatura e ad agenti chimici, ottime proprietà ignifughe e hanno una capacità di isolamento termico.
Materiale in fibra di carbonio

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Le fibre di carbonio: scoperta e produzione

Tubi in fibra di carbonio Negli anni cinquanta lo scienziato britannico Houtz fece degli esperimenti su di un materiale denominato poliacrilonitrile e scoprì che riscaldando questo polimero con vapore d’acqua portato a 300 gradi, era possibile ottenere le fibre di carbonio. Nel ’58 il fisico Roger Bacon creò la prima fibra di carbonio ad alte prestazioni, in grado di resistere a trazioni di oltre 2800 bar. Bacon produsse un materiale costituito da filamenti di grafite di spessore molto piccolo disposti in rotoli, i quali si estendevano continuamente lungo il filamento di grafite. A quell’epoca tale materiale aveva un costo di produzione di ben 10 milioni di dollari. Sebbene assai prezioso, altri scienziati cercarono di migliorare il materiale al fine di produrlo in una maniera più economica. Nel ’70 si commercializzarono delle fibre di carbonio derivate dalla pece isotropica. Questo processo di derivazione fu più economico rispetto a quello ideato nel ’58.

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Le fibre di carbonio e le loro proprietà

Coltello in fibra di carbonio Le proprietà delle fibre di carbonio sono quasi uguali a quelle dell’amianto, con la differenza che queste non sono tossiche per la salute, mentre le fibre di amianto provocano patologie e tumori mortali. Strutturalmente gli intrecci di filamenti di carbonio sono formati da migliaia di fibre. Volendo rappresentare graficamente la struttura di ogni filamento, questi si presentano come cilindri dalle dimensioni di circa 8 micrometri, la stessa dimensione di un globulo rosso presente nel sangue, formati dal 92% di carbonio. Dal punto di vista atomico le fibre di carbonio hanno una struttura analoga alla grafite, cioè consistono in aggregati di atomi di carbonio disposti simmetricamente ad esagono con angoli di legame caratteristici di una struttura planare. Se nella grafite gli atomi sono disposti in modo parallelo tra loro formando una struttura non discontinua, dove i legami chimici che si formano tra gli atomi sono abbastanza deboli e conferiscono alla grafite la sua caratteristica fragilità, le fibre di carbonio sono inerti chimicamente, ma reagiscono solamente a 726,85 gradi centigradi con metalli e ossidi metallici.


La loro classificazione

Cerchi auto Le fibre di carbonio vengono classificate in base alle caratteristiche meccaniche, in base al processo produttivo e in base alla struttura. Secondo le caratteristiche meccaniche vi sono le fibre di carbonio GP, che hanno una minor resistenza meccanica inferiore a 200 giga pascal. Poi vi sono le LM e le HT che posseggono resistenze maggiori di 3000 mega pascal e le più resistenti, ovvero le UHM, che sono in grado di sopportare trazioni di oltre 600 giga pascal. Secondo il processo di produzione vi sono le fibre di poliacrilonitrile, le fibre di carbonio da pece isotropica, le fibre di carbonio da pece anisotropica, le fibre di carbonio ottenute dal rayon ed infine le fibre di carbonio da fase gas ottenute da reazioni tra gas e catalizzatori. Infine a seconda della struttura vi sono le fibre turbostratiche o grafitiche.




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