Gli oggetti in fibra di carbonio sono noti per la loro eccezionale resistenza e leggerezza e infatti vengono utilizzati in settori nei quali vengono richieste elevatissime prestazioni, come ad esempio il settore automobilistico ed aeronautico. Anche il batiscafo Titan, di cui ultimamente si è discusso tantissimo, contiene delle componenti costituite in fibra di carbonio e titanio. In particolare, secondo quanto riportato dalla OceanGate, lo scafo centrale era costruito con un rivestimento in questo materiale. Vediamo insieme com'è fatto questo materiale e quali sono le sue proprietà.
Struttura e proprietà
Partiamo con il dire che la fibra di carbonio è in realtà un materiale composito, ovvero formato da una matrice (generalmente una resina) ed un rinforzo (generalmente una fibra). La fibra di carbonio quindi è il rinforzo del materiale composito ed è anch'essa un polimero che può essere di natura sintetica o naturale.
Le fibre sono formate da migliaia di piccoli filamenti microscopici, i quali hanno diametro di circa 5-8 μm e sono composti da atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio nel filamento, sono disposti su un piano a formare degli esagoni, tutti legati fra di loro.
Questa struttura è chiamata grafene. Questi piani di atomi sono a loro volta disposti l'uno sull'altro (possiamo paragonarli ad un sandwich fatto da tantissimi strati) e sono tenuti insieme da legami chimici deboli.
Quindi tra gli atomi di carbonio disposti sul piano, i legami chimici sono più forti di quelli che si instaurano fra un piano e l'altro, tuttavia è possibile orientare questi piani, per fare in modo che siano paralleli all'asse delle fibre. Questo conferirà un'elevata conducibilità termica ed un'elevata resistenza proprio lungo l'asse della fibra.
Oltre alle proprietà di resistenza e conducibilità termica, i materiali in fibra di carbonio sono noti per l' un'estrema durabilità nel tempo, resistenza alle alte temperature (oltre 1000 °C), non bruciano, sono resistenti a qualsiasi agente chimico ed atmosferico, non si ossidano e non subiscono deterioramento in ambienti salini.
Come si ottengono le fibre di carbonio
Le fibre di carbonio possono essere prodotte a partire da polimeri sintetici, oppure da derivati del petrolio. Esistono quindi 2 processi per ottenere il nostro polimero: PAN e PITCH
PAN
Le fibre di carbonio da PAN si ottengono da un composto chiamato acrilonitrile.
Dalla polimerizzazione dell'acrilonitrile si ottiene una fibra chiamata poliacrilonitrile (PAN). Le fibre di PAN vengono riscaldate e stirate in modo da conferirgli l'orientamento che si desidera. Durante il riscaldamento avvengono dei processi chimici che portano all'ottenimento della struttura finale della fibra di carbonio ed all'ottimizzazione delle sue proprietà.
PITCH
Le fibre di carbonio da derivati del petrolio si ottengono principalmente dalla pece che viene fatta polimerizzare per ottenere un composto (mesofase) il quale viene ridotto in fibre e successivamente trattato termicamente per ottenere la fibra finale.
Il metodo PITCH richiede temperature più basse e costi più contenuti rispetto al processo di produzione dalle fibre di poliacrilonitrile. Tuttavia il metodo PAN permette di ottenere manufatti con maggiore tenacità ed allungamento a rottura.
Una volta prodotte le fibre, queste vengono inserite all'interno della matrice, che ha il compito di tenere insieme le fibre e proteggerle. Quando la matrice si sarà indurita avremo ottenuto il manufatto finale.
Applicazioni
Una caratteristica importante dei materiali in fibra di carbonio, oltre a quelle citate nel paragrafo iniziale, è la loro bassa densità. Si tratta infatti di prodotti molto leggeri, e questo li rende molto versatili e convenienti per settori come automotive, aerospace, sport e trasporti. Inoltre, si tratta di oggetti anche esteticamente molto gradevoli, ed infatti vengono spesso utilizzati anche nella realizzazione di oggettistica di lusso.
Trattandosi di un materiale biocompatibile, anche il settore medico trae beneficio da questo materiale: basti pensare alle protesi in fibra di carbonio che vengono utilizzate anche in ambito sportivo agonistico (ad ogni appoggio, restituiscono il 90% dell'energia trasmessa alla pista anziché il 60% del piede umano)
Quanto costa la fibra di carbonio?
Come possiamo immaginare non si tratta di un materiale particolarmente economico, le fibre di carbonio infatti hanno un costo medio di 30 €/kg. Si tratta di un prezzo che da dieci anni a questa parte segue un trend in discesa, quindi si potrà auspicare ad un ulteriore riduzione dei costi della fibra di carbonio negli anni a venire.
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