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Fibra di carbonio

Un tessuto costituito da filamenti di carbonio intrecciati.La fibra di carbonio è una struttura filiforme, molto sottile, realizzata in carbonio con la quale si costruiscono una grande varietà di materiali detti compositi in quanto le fibre sono "composte" ovvero unite assieme ad una matrice, in genere di resina (ma può essere in metallo o in plastica) la cui funzione è quella di tenere in "posa" le fibre resistenti (affinché mantengano la corretta orientazione nell'assorbire gli sforzi), di proteggere le fibre ed inoltre di mantenere la forma del manufatto composito. Per la realizzazione di strutture in composito le fibre di carbonio vengono dapprima intrecciate insieme a organizzare veri e propri panni in tessuto di carbonio e poi, una volta messi in posa, vengono immersi nella matrice. Tra le sue caratteristiche spiccano l'elevata resistenza meccanica, la bassa densità, la capacità di isolamento termico, resistenza a variazioni di temperatura e all'effetto di agenti chimici, buone proprietà ignifughe. Di contro il materiale risulta non omogeneo e presenta spesso una spiccata anisotropia, ovvero le sue caratteristiche meccaniche hanno una direzione privilegiata.

Storia
La prima fibra di carbonio ad alte prestazioni fu creata dal Dr. Roger Bacon, fisico e scienziato dei materiali presso il Parma Technical Center, Ohio, nel 1958. Il materiale creato da Bacon consisteva principalmente in sottili filamenti di grafite disposti in fogli o in rotoli; i fogli si estendevano in modo continuo sull'intera lunghezza del filamento di grafite. Dopo avere sviluppato la fibra di carbonio, Bacon stimò il costo della produzione di fibre ad alta prestazione a "10 milioni di dollari per libbra". Il materiale creato da Bacon rappresentò una scoperta di notevole rilievo a quell'epoca, e gli scienziati e gli industriali furono determinati nel trovare una metodica produttiva efficiente e meno costosa.

Il 14 gennaio 1969 la Carr Reinforcements produsse il primo tessuto in fibra di carbonio esistente al mondo.

Sintesi
Un metodo comune per ottenere i filamenti di carbonio consiste nell'ossidazione e pirolisi termica del poliacrilonitrile (PAN), un polimero a base di acrilonitrile utilizzato anche per la produzione di materie plastiche. Il PAN viene riscaldato approssimativamente alla temperatura di 300 °C in presenza di aria, con il risultato di ottenere l'ossidazione e la rottura di molti legami idrogeno instauratisi tra le lunghe catene polimeriche. Il prodotto dell'ossidazione viene quindi posto in una fornace e riscaldato a circa 2000 °C in atmosfera di gas inerte, come quella di argon, ottenendosi in tal modo un cambiamento radicale della struttura molecolare con formazione di grafite. Effettuando il processo di riscaldamento nelle corrette condizioni richieste, si ha la condensazione delle catene polimeriche con produzione di ristretti fogli di grafene che eventualmente possono fondersi generando un singolo filamento. Il risultato finale consiste solitamente nell'ottenimento di un materiale con contenuto in carbonio variabile tra il 93-95%. Fibre di qualità inferiore possono essere prodotte utilizzando pece o rayon quali precursori in sostituzione del PAN. Le proprietà meccaniche della fibra di carbonio possono essere ulteriormente migliorate sfruttando opportuni trattamenti termici. Riscaldando nell'intervallo di 1500-2000 °C (carbonizzazione) si ottiene un materiale con il più alto carico di rottura (5650 MPa), mentre la fibra di carbonio riscaldata a 2500-3000 °C (grafitizzazione) mostra un modulo di elasticità superiore (531 GPa).

Struttura e proprietà
Un filamento di carbonio del diametro di 6 μm (che si estende da sinistra in basso a destra in alto) a confronto con un capello umano.Le fibre di carbonio hanno proprietà molto simili all'asbesto. Ogni intreccio di filamenti di carbonio costituisce un insieme formato dall'unione di molte migliaia di filamenti. Un singolo tale filamento ha sottile forma cilindrica del diametro di 5-8 μm e consiste quasi esclusivamente di carbonio.

La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, consistendo in aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo simmetria esagonale regolare. La differenza consiste nel modo in cui questi fogli sono interconnessi. La grafite è un materiale cristallino in cui i fogli sono disposti parallelamente l'uno rispetto all'altro formando una struttura regolare. I legami chimici che si instaurano tra i fogli sono relativamente deboli, conferendo alla grafite la sua caratteristica delicatezza e fragilità. In funzione della materia prima utilizzata per produrre la fibra, la fibra di carbonio può essere turbostratica o grafitica, ovvero possedere una struttura ibrida in cui sono presenti sia parti turbostratiche che grafitiche. Nella fibra di carbonio turbostratica, ovvero con struttura cristallina formata da piani ciascuno deviato lateralmente rispetto all'altro, i fogli di atomi di carbonio sono uniti in modo casuale o ripiegati insieme. Le fibre di carbonio ottenute dal PAN sono turbostratiche, mentre le fibre di carbonio derivate dalla mesofase pece sono grafitiche dopo riscaldamento a temperature superiori a 2200 °C. Le fibre di carbonio turbostratiche tendono ad avere maggior carico di rottura, mentre le fibre derivate dalla mesofase pece sottoposte a trattamento termico possiedono elevata elasticità (modulo di Young) ed elevata conducibilità termica.

Usi
La fibra di carbonio è prevalentemente utilizzata per rinforzare i materiali compositi, in particolar modo i polimeri plastici. Un altro utilizzo sfrutta il conferimento di un certo valore estetico a vari prodotti di consumo.

Sfruttandone le caratteristiche di resistenza e leggerezza del peso, la fibra di carbonio viene utilizzata per la produzione delle casse degli orologi e del quadrante. Nella fabbricazione degli orologi, il materiale è spesso combinato con un polimero per aumentarne la resistenza.

Materiali non polimerici possono essere utilizzati anche in funzione di matrice per le fibre di carbonio. A causa della formazione di carburi (per esempio il carburo di alluminio, idrosolubile) e a problematiche legate a fenomeni di corrosione, l'utilizzo del carbonio in compositi a matrice metallica è poco sviluppato. Il carbonio-carbonio (RCC, Reinforced Carbon-Carbon) consiste in un rinforzo di fibra di carbonio in una matrice di grafite e viene utilizzato in applicazioni che richiedono l'esposizione a temperature elevate, come nel caso degli scudi termici dei veicoli spaziali o dei freni delle auto di Formula 1. Questo materiale è utilizzato anche per la filtrazione di gas ad alta temperatura, come elettrodo a elevata area superficiale e resistente alla corrosione, e come componente antistatico.

La fibra di carbonio è utilizzata anche nei recipienti per gas compressi, inclusi quelli per l'aria compressa.

Molto raramente si usano lastre piane di composito piegandole a caldo, viene infatti preferita al tecnica di polimerizzazione delle resine direttamente su uno stampo, impregnando ogni strato di tela di fibra alla volta, spesso comprimendo il tutto per migliorare l'uniformità dello spessore

Industria tessile
In relazione al loro modulo di elasticità, esistono differenti categorie di fibre di carbonio: con modulo basso (fino a 200 GPa), modulo standard (200-250 GPa), modulo intermedio (250-325 GPa) e modulo elevato (>325 GPa).[6] La resistenza meccanica dei differenti tipi di filato varia tra 2-7 GPa. La densità tipica della fibra di carbonio è 1750 kg/m3.

Gli intrecci di filamenti di fibra di carbonio sono utilizzati in diversi processi, tra i quali spiccano il rinforzo di materiale plastico, la tessitura dei filamenti e la pultrusione. Il filato di fibra di carbonio viene classificato in base alla sua densità lineare (peso per unità di lunghezza, con 1 g / 1000 m = 1 tex) o in base al numero di filamenti per filato. Per esempio 200 tex per 3000 filamenti di fibra di carbonio sono tre volte resistenti rispetto a 1000 fibre di carbonio, ma anche tre volte più pesanti. Questo filato può essere utilizzato per creare vari tessuti, il cui aspetto dipende generalmente dalla densità lineare del filato e dal tipo di tessitura eseguita. Alcuni tipi di tessuti comunemente utilizzati sono la saia, il raso e la tela.