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.
Le fibre di carbonio: scoperta e produzione
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.
Le fibre di carbonio e le loro proprietà
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
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.
Domande frequenti
-
Quali sono i principali vantaggi strutturali delle fibre di carbonio nei materiali compositi?Le fibre di carbonio offrono una combinazione unica di bassissima densità e altissima resistenza meccanica, rendendole ideali per applicazioni leggere ma robuste. Inserite in una matrice (resina, plastica o metallo), formano materiali compositi in cui le fibre garantiscono la tenuta agli sforzi e la matrice ne mantiene l'orientamento e la rigidità. Inoltre, possiedono eccellenti proprietà termiche: resistono bene alle variazioni di temperatura, isolano termicamente e sono ignifughe, proteggendo la struttura interna senza appesantirla significativamente.
-
Le fibre di carbonio sono pericolose per la salute come l'amianto?No, a differenza dell'amianto, le fibre di carbonio non sono tossiche né cancerogene. Sebbene abbiano proprietà fisiche simili (come la resistenza e la forma filiforme), non provocano le gravi patologie polmonari associate all'amianto. Sono costituite per il 92% da carbonio e hanno una struttura chimicamente inerte nelle condizioni normali, reagendo solo a temperature estremamente elevate (oltre 726°C) con metalli e ossidi, il che le rende sicure per l'utilizzo umano e ambientale.
-
Come si classificano le fibre di carbonio in base alla resistenza?La classificazione principale avviene in base alle caratteristiche meccaniche, specificamente alla resistenza alla trazione. Si distinguono le fibre GP (General Purpose) con resistenza inferiore a 200 GPa; le serie LM (Low Modulus) e HT (High Tension) che superano i 3000 MPa; e le fibre UHM (Ultra High Modulus), le più resistenti in assoluto, capaci di sopportare trazioni superiori a 600 GPa. Questa gerarchia permette di scegliere il materiale giusto in base al carico strutturale richiesto dall'applicazione finale.
-
Da quale materia prima si producono le fibre di carbonio?Esistono diverse materie prime per la produzione, ciascuna con processi specifici. Le più comuni derivano dal poliacrilonitrile (PAN), dalla pece isotropica, dalla pece anisotropica e dal rayon. Esiste inoltre una metodologia meno comune che utilizza la fase gas, ottenuta tramite reazioni chimiche tra gas e catalizzatori. Il processo storico iniziale prevedeva il riscaldamento del poliacrilonitrile a 300°C, mentre successivamente si sono sviluppati metodi più economici utilizzando la pece per ridurre i costi di produzione iniziali, un tempo proibitivi.
-
Com'è strutturata atomicamente una fibra di carbonio?Strutturalmente, ogni filamento è un cilindro sottile di circa 8 micrometri, formato da migliaia di fibre. A livello atomico, presenta una disposizione simile alla grafite: atomi di carbonio organizzati simmetricamente in esagoni piani. Tuttavia, a differenza della grafite pura dove i legami sono deboli e paralleli (causando fragilità), le fibre di carbonio mantengono una coerenza strutturale elevata grazie all'allineamento ordinato dei cristalli, garantendo alta resistenza meccanica pur mantenendo una leggerezza straordinaria paragonabile a quella di un globulo rosso.
