La fibra di carbonio è costituita da fibre estremamente fini, di circa cinque-dieci micron di diametro, ed è composta principalmente da atomi di carbonio . Questi sono agglomerati in microscopici cristalli allineati più o meno parallelamente all'asse longitudinale della fibra. L'allineamento dei cristalli rende la fibra estremamente resistente per le sue dimensioni. Diverse migliaia di fibre di carbonio vengono avvolte insieme per formare un filato, che può essere utilizzato così com'è o tessuto .
Questo materiale è caratterizzato dalla sua bassa densità (da 1,7 a 1,9), la sua elevata resistenza alla trazione e alla compressione, la sua flessibilità, la sua buona conduttività elettrica e termica , la sua resistenza alla temperatura e la sua inerzia chimica (tranne all'ossidazione).
Il suo uso principale è quello di fungere da rinforzo nei materiali compositi , il che consente di ottenere parti con buone proprietà meccaniche pur essendo notevolmente più leggere delle parti metalliche.
La prima applicazione delle fibre di carbonio è stata nello sviluppo di filati per lampade ad incandescenza. Joseph Swan produsse le prime fibre nel 1860. Erano prima di tutto filamenti di carta carbonizzati, poi migliorò la qualità dei fili di carbonio utilizzando fibre di cotone carbonizzato. Dal 1879, Thomas Edison utilizzò fibre di bambù carbonizzate ad alta temperatura. Nel 1880, Lewis Latimer migliorò il processo di Thomas Edison per ottenere filamenti di carbonio affidabili, ottenendo tempi di funzionamento della lampadina di diverse centinaia di ore. Dal 1892 verrà abbandonata l'illuminazione elettrica a favore dell'illuminazione mediante riscaldamento a tubi ad incandescenza per l'illuminazione pubblica e la produzione di fili di carbonio verrà abbandonata per diversi decenni.
Nel 1958, Roger Bacon (en) voleva determinare il punto triplo degli atomi di carbonio riscaldando ad alta temperatura in un forno ad arco, osservò la formazione di filamenti di carbonio. Continuò a studiare la formazione di questi filamenti per arrivare ad un metodo di preparazione che fu brevettato. Il processo si basava sulla carbonizzazione delle fibre di viscosa , veniva utilizzato dalla Union Carbide (il cui ramo di carbonio sarebbe poi diventato Graphtec ). Le proprietà meccaniche di queste fibre erano tuttavia limitate perché il loro contenuto di carbonio era basso. Nel 1960 Akio Shindo produceva fibre di carbonio di migliore qualità da poliacrilonitrile (fibre ex-PAN). Nello stesso periodo, Richard Millington ha migliorato il processo di produzione delle fibre di viscosa. Il loro alto contenuto di carbonio (99%) e le loro buone proprietà meccaniche hanno permesso di considerare il loro utilizzo come rinforzo nei materiali compositi. Durante questo decennio sono state condotte ricerche per trovare nuovi precursori del carbonio per ottenere fibre. Conducono a processi per la produzione di fibre di carbonio dalla pece di petrolio.
Nel 1963, W. Watt, LN Phillips e W. Johnson (Royal Aircraft Establishment a Farnborough, Hampshire) svilupparono un processo per la produzione di materiali compositi. Rolls-Royce utilizza questo processo per produrre le pale dei compressori per i suoi motori RB211 . Questi compositi sono comunque sensibili agli urti ( es. collisioni con uccelli), che ne limiteranno l'uso in aeronautica. Nello stesso periodo, il governo giapponese ha sostenuto molto attivamente lo sviluppo della produzione industriale di fibre di carbonio e diverse aziende hanno sviluppato questa attività ( Toray , Nippon Carbon , Toho Rayon , Mitsubishi ). Il Giappone diventa leader nel campo delle fibre di carbonio realizzate da PAN.
Negli anni '70, il mercato mondiale era dominato dalla Union Carbide che utilizzava il processo Toray. La società Courtaulds è l'unico grande fornitore britannico. Questa azienda rimarrà un importante fornitore di materiali compositi per applicazioni nello sport fino alla fine degli anni 80. Gli Stati Uniti e l'Europa incoraggiano anche aziende come BASF , Celanese o Akzo a sviluppare la produzione industriale di fibre di carbonio.
Dalla fine degli anni '70, molti sviluppi hanno portato alla produzione di fibre con proprietà meccaniche adatte a molte applicazioni diverse. Si distingue principalmente tra fibre ad alto modulo e fibre ad alta tenacità. La domanda di materiali compositi è in costante aumento, trainata principalmente dall'industria aeronautica, della difesa e dell'eolico. Ciò ha portato all'emergere di nuovi attori in questo mercato come la Cina o la Corea del Sud. Più recentemente, la necessità di sostituire i precursori del carbonio da risorse fossili con precursori biobased ha portato ad attività di ricerca nel campo delle fibre a base di lignina . Anche le fibre composite sono state sviluppate utilizzando come struttura i nanotubi di carbonio .
Possiamo citare tre principali famiglie di fibre utilizzate su larga scala:
Le fibre ottenute per deposizione chimica in fase vapore da un precursore del carbonio come il benzene hanno proprietà e applicazioni diverse e sono generalmente chiamate " nanofibre di carbonio ".
La fibra di carbonio è un materiale con un contenuto di carbonio molto elevato (superiore al 90% in massa). A livello atomico, una fibra è composta da fogli di carbonio poliaromatici impilati in una struttura che può essere molto vicina a quella della grafite , ma che può anche essere più disordinata della grafite (carbonio turbostratico in cui l'impilamento dei fogli di carbonio comprende faglie). Il livello di grafitizzazione delle fibre dipende dal precursore utilizzato, ma anche dal metodo di produzione utilizzato. La disposizione delle pile di fogli di carbonio costituisce la microstruttura delle fibre di carbonio, dipende anche dal precursore del carbonio e dal processo di sintesi.
Toray M40 fibra ex-PAN ad alto modulo.
Fibra Toho Tenax.
Fibra di carbonio ex-viscosa Celion.
Una fibra è un materiale unidimensionale, è la disposizione delle fibre in due o tre dimensioni che consentirà di ottenere una parte composita C/C con buone proprietà meccaniche. Le proprietà d'uso di una fibra di carbonio sono quindi caratterizzate nella direzione longitudinale della fibra.
Il diametro delle fibre di carbonio è ora compreso tra 5 e 10 µm. La densità delle fibre di carbonio è dell'ordine di 1,7. Ciò consente di progettare materiali compositi aventi una densità simile, che rappresenta una riduzione molto significativa rispetto ai materiali metallici.
L'uso principale delle fibre di carbonio è la produzione di materiali compositi con proprietà meccaniche migliorate per un peso ridotto. Le proprietà meccaniche sono quindi le caratteristiche essenziali di una fibra. Vengono utilizzati principalmente due parametri:
Una fibra con un alto modulo di elasticità si deformerà molto poco, ma potrebbe rompersi sotto sollecitazioni moderate. Usato come rinforzo, può portare a un materiale dal carattere fragile. Questo tipo di fibra è chiamato fibra ad alto modulo. Una fibra avente un modulo di elasticità più moderato avrà una maggiore resistenza alla trazione, può conferire al materiale composito una migliore resistenza alla trazione ma una maggiore deformabilità. Se una fibra di carbonio ha un carattere molto grafitico e una struttura molto ordinata, avrà un alto modulo di elasticità, al contrario avrà un carattere fragile. Il controllo di questa struttura si ottiene mediante la scelta del precursore (una fibra ex-pitch è generalmente più grafitica di una fibra ex-PAN), ma anche mediante l'utilizzo di un trattamento termico ad altissima temperatura.
Poiché le fibre di carbonio sono composte da domini grafitici, sfruttano le proprietà elettriche della grafite . La grafite è un materiale anisotropo con un'ottima conduttività elettrica nella direzione dei piani del grafene. Poiché i domini grafitici sono orientati in direzione longitudinale nelle fibre, queste ultime presentano anche buone proprietà termiche ed elettriche lungo la direzione del filo. La resistività elettrica di una fibra quindi diminuisce se il suo carattere grafitico aumenta, i valori variano da 900 µΩ cm per una fibra ad alto modulo (350 a 500 GPa ) a 1650 µΩ cm per fibre a moduli inferiori (200 a 300 GPa ). La conducibilità termica dipende anche dalla struttura, può variare da 20 W m -1 K -1 per fibre di modulo intermedio a 80 W m -1 K -1 per fibre ad alto modulo.
Le fibre ottenute dal poliacrilonitrile rappresentano la maggior parte dei rinforzi utilizzati nei compositi. Ciò è dovuto al fatto che possono avere buone proprietà meccaniche pur avendo un costo di produzione moderato. Il PAN è un polimero avente la formula [-CH 2 -CH (CN) -] n . Le fasi di produzione sono le seguenti:
Le fibre di pece ex possono essere ottenute da diversi tipi di precursori:
La composizione di una pece varia molto a seconda del metodo di produzione e del precursore utilizzato. In tutti i casi, contiene un'elevata percentuale di carbonio aromatico sotto forma di molecole poliaromatiche aventi una massa molare da 400 a 600 g/mol. Le fibre ottenute dal carbone possono contenere particelle solide di carbonio, che possono indebolire le fibre di carbonio ottenute, pertanto si utilizza preferibilmente pece di petrolio.
Il principale precursore di questo tipo di fibra è la cellulosa . Questo materiale è chiamato "rayon", la forma normale del rayon è chiamata " viscosa ". Lo sviluppo di un filo di rayon prevede diverse fasi:
Dal filato di rayon, i passaggi per ottenere le fibre di carbonio sono simili a quelli presentati per le fibre ex-PAN.
La lignina è il biopolimero più abbondante contenente strutture aromatiche, rappresenta tra il 15 e il 30% delle piante. Si tratta di un materiale oggi disponibile ad un costo molto contenuto, ad esempio come sottoprodotto della fabbricazione della carta . La sua struttura chimica composta da strutture aromatiche legate tra loro a formare una rete bidimensionale, e il carattere termoplastico di questo polimero permettono di estruderlo per ottenere fibre e di trattarlo termicamente per ottenere una fibra di carbonio. . Il processo di produzione delle fibre di carbonio dalla lignina è quindi molto simile a quello presentato nei paragrafi precedenti.
Una delle difficoltà è che la lignina può avere struttura e proprietà fisiche diverse a seconda della pianta da cui proviene e del processo utilizzato per separarla dagli altri componenti della pianta. Può contenere anche impurità. Le condizioni di estrusione della fibra, che dipendono dalla temperatura di transizione vetrosa ( T v ), devono quindi essere scelte in funzione della lignina utilizzata. Inoltre, le proprietà finali della fibra di carbonio possono variare a seconda della composizione iniziale della lignina. Nonostante queste difficoltà, la lignina ha molti vantaggi: è un materiale di origine biologica il cui costo è basso, ha una buona resa in carbonio e il suo carattere termoplastico consente di sviluppare processi produttivi efficienti. I primi brevetti su questo tema dal 1960, ma la ricerca sulla ottimizzazione di queste fibre e l'integrazione dei processi di produzione in un concetto di bioraffineria è diventato molto attivo sin dall'inizio del XXI ° secolo ( ad esempio:. Programma europeo LIBRE lignina a base di fibre di carbonio per compositi ).
Diversi processi sono stati sviluppati per produrre filati contenenti nanotubi di carbonio . Possiamo citare:
Le proprietà delle fibre ottenute dipendono molto dai nanotubi e dal metodo utilizzato. Le applicazioni previste per questo tipo di fibra sono generalmente tessili tecnici.
Le fibre di carbonio sono principalmente utilizzate come rinforzo nei materiali compositi . Consentono di ottenere parti strutturali con buone proprietà meccaniche: rigidità, resistenza alla fessurazione, ecc. , pur avendo una bassa densità rispetto ai materiali metallici.
Vengono generalmente inseriti nel materiale composito sotto forma di fili incrociati o veli intrecciati, una matrice viene poi infiltrata nel materiale per realizzare la parte desiderata. Per una data stanza, è necessario calcolare una disposizione ottimale della rete in fibra. Lo sviluppo di queste parti ha quindi un costo, il che significa che i materiali compositi a base di fibra di carbonio sono utilizzati principalmente in applicazioni critiche.
Il principale campo di applicazione è l'industria aeronautica e spaziale:
Anche lo sport agonistico utilizza ampiamente i materiali compositi, sia per il loro peso ridotto, sia per le loro migliorate proprietà meccaniche:
La fibra di carbonio viene utilizzata nella fabbricazione degli strumenti :
In altre aree, possiamo anche citare:
I tessuti in fibra di carbonio trovano applicazioni anche da soli:
Tessuto in fibra di carbonio.
Freno in carbonio Airbus A330 / A340.
Parte posteriore della carrozzeria di una vettura Champ Car
Armin Bachmann (de) posa con due pezzi di corno delle Alpi , uno in legno e l'altro in fibra di carbonio.