Costruzione di uno skateboard in fibra di carbonio

Tecnologia della fibra di carbonio Oggi si producono componenti di aerei, motociclette, autovetture, biciclette, barche, attrezzi da pesca e sportivi in un materiale detto “fibra di carbonio”. Questo materiale in generale è un composito dove la fibra di carbonio vera e propria è il rinforzante di una matrice di resina termoindurente Quali ulteriori rinforzanti possono essere utilizzate insieme alla fibra di carbonio fibra di vetro e kevlar (una poliammide).

La fibra di carbonio La fibra di carbonio viene prodotta come filo e utilizzata nel composito in forma di tessuto intrecciato

La fibra di carbonio E’ formata da sottili filamenti di carbonio tessuti di modo da formare delle tele dette “pelli” Le unità di misura che descrivono la fibra sono: la densità lineare (espressa come massa/lunghezza => 1 g / 1000 m = 1 tex ) il numero di filamenti bandolo, calcolati in migliaia. la densità assoluta (normalmente 1750 kg/m³) Il modulo elastico ne esistono diverse categorie: a moduli standard (250 GPa) a moduli intermedio (300 GPa) ad alto modulo (> 300 GPa)

Caratteristiche meccaniche della fibra di carbonio Il composito in fibra di carbonio è un materiale anisotropo: le sue proprietà non sono uguali in tutte le direzioni, a differenza dell’acciaio. Nella direzione principale della fibra è però simile all’acciaio; a ciò si aggiunge il vantaggio di una densità quattro volte inferiore. Per rendere quasi isotropo il composito occorre sovrapporre opportunamente le fibre.

Caratteristiche meccaniche della fibra di carbonio   Resistenza alla trazione (MPa) Densità (g/cm3) Modulo Elastico* (GPa) Fibre di carbonio 2000-7000 1.75 200-500 Acciaio 250-400 7.9 210 Kevlar 3620 1.44 80-180 * Modulo di Young: pressione applicata/allungamento relativo

I materiali precursori Quali precursori si utilizzano due materiali: Resina di petrolio (pece petrolifera o “Pitch”) Poliacrilonitrile (PAN) Rayon (cellulosa)

Fibra ottenuta da PAN Sintesi del precursore: per fibre ad alto modulo viene generalmente utilizzato quale precursore il Poliacrilonitrile (PAN) di alta qualità; esso viene ottenuto polimerizzando l’acrilonitrile prodotto dalla reazione del propilene con l’ammoniaca

Sintesi del monomero (AN) Sintesi del polimero (PAN)

Lavorazione del precursore e produzione della fibra di carbonio 1. Estrusione/Stretching Il polimero viene spinto a pressione attraverso una filiera dando un filo che viene stirato, lavato dal catalizzatore, asciugato dai solventi mediante evaporazione e quindi passato alla camera di ossidazione.

2. Ossidazione: riscaldamento all’aria per ciclizzare le unità 3. Carbonizzazione e Grafitizzazione: riscaldamento in atmosfera di azoto per eliminare H, O, N

Schema di produzione industriale della fibra di carbonio dal PAN e dal Pitch

Trattamenti della fibra Una volta ottenuto il filo si procede a operazioni che rendono la stessa compatibile con la matrice del composito 1. Trattamento di superficie Le macromolecole della fibra vengono parzialmente ossidate per favorire inseguito l’attacco dell’aderente. 2. Sizing (ricopertura) I fili vengono ricoperti con un prodotto che generi la massima capacità coprente e di aderenza della resina: si utilizzano prodotti come nylon, poliesteri, uretani, ecc. a seconda della resina utilizzata per il composito. 3. Tessitura Il filo viene tesso fino a formare i fogli o “pelli”.

La matrice del composito La matrice di un composito è normalmente una resina epossidica che ha caratteristiche ideali di leggerezza e resistenza. Uno spessoramento del pezzo può essere ottenuto mediante schiume e “nidi d’ape” in alluminio o in polifenolo

La matrice del composito La resina epossidica: un materiale bicomponente utilizzato anche come colla (Araldyte®,….). E’ un materiale termoindurente che si forma per reazione (esotermica) tra il componente macromolecolare (resina, un diepossido) e un reticolante (indurente, una diammina) che crea una struttura reticolata

I componenti della resina epossidica Componente A (resina): un diepossido bisfenolo Componente B (reticolante): una diammina

La reazione di reticolazione Una molecola di diammina reagisce con 4 molecole di resina formando il reticolo tridimensionale

La reticolazione nel composito La reazione di reticolazione avviene mentre il miscuglio dei due componenti diffonde attraverso i fili del tessuto di fibra di carbonio. La resina ha normalmente un’elevata viscosità per cui la diffusione richiede una pressione che si ottiene creando un vuoto all’interno dello stampo

La reticolazione nel composito La produzione del pezzo può avvenire secondo due tecniche: deposizione successiva degli strati di fibra e di matrice in uno stampo Infusione della matrice sotto pressione o sotto vuoto in uno stampo nel quale sono deposti in precedenza le pelli di fibra (infusion molding)