Con il continuo sviluppo dei materiali compositi, oltre alle plastiche rinforzate con fibra di vetro, sono comparse anche plastiche rinforzate con fibra di carbonio, plastiche rinforzate con fibra di boro, ecc. I compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono materiali leggeri e resistenti utilizzati per la produzione di molti prodotti che usiamo nella vita quotidiana. È un termine usato per descrivere i materiali compositi rinforzati con fibre che utilizzano le fibre di carbonio come componente strutturale principale.
Indice:
1. Struttura polimerica rinforzata con fibra di carbonio
2. Metodo di stampaggio della plastica rinforzata con fibra di carbonio
3. Proprietà dei polimeri rinforzati con fibra di carbonio
4. Vantaggi del CFRP
5. Svantaggi del CFRP
6. Usi della plastica rinforzata con fibra di carbonio
Struttura polimerica rinforzata con fibra di carbonio
La plastica rinforzata con fibra di carbonio è un materiale formato da fibre di carbonio disposte in una determinata direzione e legate tra loro da materiali polimerici. Il diametro delle fibre di carbonio è estremamente sottile, circa 7 micron, ma la loro resistenza è estremamente elevata.
L'unità costitutiva più elementare dei materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio è il filamento di fibra di carbonio. La materia prima di base del filamento di carbonio è il prepolimero poliacrilonitrile (PAN), il rayon o la pece di petrolio. I filamenti di carbonio vengono poi trasformati in tessuti di fibra di carbonio mediante metodi chimici e meccanici per la produzione di componenti in fibra di carbonio.
Il polimero legante è solitamente una resina termoindurente come l'epossidica. Talvolta vengono utilizzati anche altri polimeri termoindurenti o termoplastici, come il polivinilacetato o il nylon. Oltre alle fibre di carbonio, i compositi possono contenere anche fibre di aramide Q, polietilene ad altissimo peso molecolare, alluminio o fibre di vetro. Le proprietà del prodotto finale in fibra di carbonio possono essere influenzate anche dal tipo di additivi introdotti nella matrice legante.
Metodo di stampaggio della plastica rinforzata con fibra di carbonio
I prodotti in fibra di carbonio si differenziano principalmente per i diversi processi di produzione. Esistono infatti numerosi metodi per la realizzazione di materiali polimerici rinforzati con fibra di carbonio.
1. Metodo di laminazione manuale
Si divide in metodo a secco (preparazione in officina) e metodo a umido (tessuto in fibra e resina incollati all'uso). La laminazione manuale viene utilizzata anche per preparare i preimpregnati da utilizzare in processi di stampaggio secondari come lo stampaggio a compressione. Questo metodo prevede la laminazione di fogli di tessuto in fibra di carbonio su uno stampo per formare il prodotto finale. Le proprietà di resistenza e rigidità del materiale risultante vengono ottimizzate selezionando l'allineamento e l'intreccio delle fibre del tessuto. Lo stampo viene quindi riempito con resina epossidica e polimerizzato con calore o aria. Questo metodo di produzione è spesso utilizzato per parti non soggette a sollecitazioni, come i coperchi del motore.
2. Metodo di termoformatura sottovuoto
Per il preimpregnato laminato, è necessario applicare pressione attraverso un determinato processo per farlo aderire allo stampo e polimerizzarlo e modellarlo a una determinata temperatura e pressione. Il metodo del sacco sottovuoto utilizza una pompa a vuoto per creare un vuoto all'interno del sacco di formatura, in modo che la pressione negativa tra il sacco e lo stampo generi una pressione tale da far aderire il materiale composito allo stampo.
Sulla base del metodo del sacco sottovuoto, è stato successivamente sviluppato il metodo di formatura in autoclave con sacco sottovuoto. Le autoclavi forniscono pressioni e temperature più elevate per la polimerizzazione del pezzo (invece della polimerizzazione naturale) rispetto ai metodi basati esclusivamente sul sacco sottovuoto. Il pezzo così ottenuto presenta una struttura più compatta, una migliore qualità superficiale, elimina efficacemente le bolle d'aria (che compromettono notevolmente la resistenza del pezzo) e, in generale, ha una qualità superiore. Di fatto, il processo di formatura con sacco sottovuoto è simile a quello dell'applicazione della pellicola protettiva sui telefoni cellulari. L'eliminazione delle bolle d'aria è un'operazione fondamentale.
3. Metodo di stampaggio a compressione
Stampaggio a compressioneSi tratta di un metodo di stampaggio che si presta alla produzione in serie. Gli stampi sono generalmente costituiti da una parte superiore e una inferiore, che chiamiamo rispettivamente stampo maschio e stampo femmina. Il processo di stampaggio consiste nell'inserire il materiale preimpregnato nello stampo metallico e, sotto l'azione di una determinata temperatura e pressione, il materiale viene riscaldato e plastificato nella cavità dello stampo, fluisce sotto pressione e riempie la cavità, per poi procedere allo stampaggio e alla polimerizzazione per ottenere il prodotto finito. Tuttavia, questo metodo presenta costi iniziali più elevati rispetto ai precedenti, poiché lo stampo richiede una lavorazione CNC di altissima precisione.
4. Stampaggio a avvolgimento
Per componenti con forme complesse o a forma di corpo di rivoluzione, è possibile utilizzare un avvolgitore di filamenti per realizzare il pezzo avvolgendo il filamento su un mandrino o un'anima. Una volta completato l'avvolgimento, si procede alla polimerizzazione e alla rimozione del mandrino. Ad esempio, con questo metodo è possibile realizzare i bracci tubolari utilizzati nei sistemi di sospensione.
5. Stampaggio a trasferimento di resina
Lo stampaggio a trasferimento di resina (RTM) è un metodo di stampaggio relativamente diffuso. Le sue fasi principali sono:
1. Posizionare il tessuto in fibra di carbonio preparato nello stampo e chiudere lo stampo.
2. Iniettare al suo interno la resina termoindurente liquida, impregnare il materiale di rinforzo e lasciare indurire.
Proprietà dei polimeri rinforzati con fibra di carbonio
(1) Elevata resistenza e buona elasticità.
La resistenza specifica (ovvero il rapporto tra resistenza alla trazione e densità) della fibra di carbonio è 6 volte superiore a quella dell'acciaio e 17 volte superiore a quella dell'alluminio. Il modulo specifico (ovvero il rapporto tra modulo di Young e densità, che è un indicatore dell'elasticità di un oggetto) è più di 3 volte superiore a quello dell'acciaio o dell'alluminio.
Grazie all'elevata resistenza specifica, è in grado di sopportare un carico di lavoro elevato. La sua pressione di esercizio massima può raggiungere i 350 kg/cm². Inoltre, è più comprimibile ed elastico rispetto al puro F-4 e alla sua treccia.
(2) Buona resistenza alla fatica e all'usura.
La sua resistenza alla fatica è molto superiore a quella della resina epossidica e a quella dei materiali metallici. Le fibre di grafite sono autolubrificanti e presentano un basso coefficiente di attrito. L'usura è da 5 a 10 volte inferiore rispetto a quella dei comuni prodotti in amianto o delle trecce F-4.
(3) Buona conduttività termica e resistenza al calore.
Le plastiche rinforzate con fibra di carbonio hanno una buona conduttività termica e dissipano facilmente il calore generato dall'attrito. L'interno non si surriscalda facilmente e non accumula calore, pertanto possono essere utilizzate come materiale di tenuta dinamico. In aria, possono funzionare stabilmente nell'intervallo di temperatura da -120 a 350 °C. Con la riduzione del contenuto di metalli alcalini nella fibra di carbonio, la temperatura di esercizio può essere ulteriormente aumentata. In un gas inerte, la sua temperatura di esercizio può raggiungere circa 2000 °C e può resistere a brusche variazioni di temperatura.
(4) Buona resistenza alle vibrazioni.
Non è soggetto a risonanza o vibrazioni eccessive ed è inoltre un materiale eccellente per la riduzione delle vibrazioni e del rumore.
Vantaggi del CFRP
1. Leggero
I materiali compositi tradizionali rinforzati con fibra di vetro utilizzano fibre di vetro continue e costituiscono il 70% del peso totale delle fibre (peso del vetro/peso totale), con una densità tipica di 0,065 libbre per pollice cubo. Un composito CFRP con la stessa percentuale di fibre (70%) ha in genere una densità di 0,055 libbre per pollice cubo.
2. Elevata resistenza
Sebbene i polimeri rinforzati con fibra di carbonio siano leggeri, i compositi CFRP presentano una maggiore resistenza e rigidità per unità di peso rispetto ai compositi in fibra di vetro. Rispetto ai materiali metallici, questo vantaggio è ancora più evidente.
Svantaggi del CFRP
1. Costo elevato
Il costo di produzione della plastica rinforzata con fibra di carbonio è proibitivo. I prezzi della fibra di carbonio possono variare drasticamente a seconda delle condizioni di mercato (domanda e offerta), del tipo di fibra (per uso aerospaziale o commerciale) e delle dimensioni del fascio di fibre. A parità di peso, la fibra di carbonio vergine può costare da 5 a 25 volte di più della fibra di vetro. Questa differenza è ancora maggiore se si confronta l'acciaio con il CFRP.
2. Conduttività
Questo rappresenta il vantaggio e lo svantaggio dei materiali compositi in fibra di carbonio. Dipende dall'applicazione. Le fibre di carbonio sono estremamente conduttive, mentre le fibre di vetro sono isolanti. Molti prodotti utilizzano la fibra di vetro al posto della fibra di carbonio o del metallo perché richiedono un isolamento rigoroso. Nella produzione di beni di consumo, molti prodotti richiedono l'utilizzo di fibre di vetro.
Usi della plastica rinforzata con fibra di carbonio
Le applicazioni dei polimeri rinforzati con fibra di carbonio sono molteplici, dai componenti meccanici ai materiali militari.
(1)come imballaggio di tenuta
Il PTFE rinforzato con fibra di carbonio può essere utilizzato per realizzare anelli di tenuta o guarnizioni resistenti alla corrosione, all'usura e alle alte temperature. Se impiegato per la tenuta statica, offre una durata di servizio superiore di oltre 10 volte rispetto alle comuni guarnizioni in amianto immerse in olio. Mantiene le prestazioni di tenuta anche in presenza di variazioni di carico, rapidi cicli di raffreddamento e riscaldamento. Inoltre, poiché il materiale non contiene sostanze corrosive, non si verifica corrosione per vaiolatura sul metallo.
(2)come parti di rettifica
Grazie alle sue proprietà autolubrificanti, può essere utilizzato come cuscinetto, ingranaggio e fascia elastica per applicazioni speciali. Ad esempio, cuscinetti autolubrificanti per strumenti aeronautici e registratori, ingranaggi autolubrificanti per locomotive diesel a trasmissione elettrica (per evitare incidenti causati da perdite d'olio), fasce elastiche per compressori, ecc. Inoltre, sfruttando le sue caratteristiche di non tossicità, può essere impiegato anche come cuscinetto a strisciamento o guarnizione nell'industria alimentare e farmaceutica.
(3) Come materiale strutturale per l'industria aerospaziale, aeronautica e missilistica. È stato utilizzato per la prima volta nella produzione di aeromobili per ridurre il peso degli stessi e migliorare l'efficienza del volo. Viene inoltre impiegato nell'industria chimica, petrolifera, energetica, meccanica e in altri settori come guarnizione dinamica rotante o alternativa o come vari materiali per guarnizioni statiche.
Zhengxi è un professionistafabbrica di presse idrauliche in Cina, fornendo alta qualitàpressa idraulica compositaper la formatura di prodotti in CFRP.
Data di pubblicazione: 25 maggio 2023
