L’acciaio è stato a lungo utilizzato per creare strutture robuste, durature e rigide. La fibra di carbonio è un’aggiunta relativamente recente ai materiali strutturali, ma le sue proprietà sono impressionanti e uniche. Quella che segue è una ripartizione delle proprietà di questi due materiali e alcuni esempi di industrie che stanno passando alla fibra di carbonio.
Che cos’è la fibra di carbonio?
La fibra di carbonio è composta da carbonio, un elemento presente in natura, e ha un’elevata resistenza alla trazione grazie alla sua struttura cristallina. È usata per fabbricare parti composite leggere e ad alta resistenza con la fibra incorporata in una matrice polimerica. La fisica del carbonio lo rende molto forte e incredibilmente rigido. Il modulo di elasticità (una misura della resistenza di un materiale alla deformazione) per le fibre di carbonio è tra 150-760 gigapascal (GPa). L’ampia gamma è dovuta al fatto che il processo di fabbricazione può essere modificato per personalizzare la rigidità e la forza. La resistenza alla trazione della fibra di carbonio è una delle più alte di qualsiasi materiale disponibile. Anche se molti materiali, tra cui l’acciaio, possono avere un’elevata rigidità e resistenza alla trazione, i veri vantaggi della fibra di carbonio sono il suo rapporto forza-peso e il rapporto rigidità-peso dovuto alla sua bassa densità (circa 1,6 g/cm3). Questo permette ai materiali in fibra di carbonio di avere un’alta resistenza alla trazione pur essendo leggeri. Come tale, è un candidato ideale per applicazioni industriali come:
- Robotica
- Metrologia
- Veicoli terrestri
- auto
- camion
- bici
- Turbine eoliche
In molte di queste applicazioni, i materiali più pesanti consumano più energia, causano una maggiore usura nel tempo, e/o rendono i progetti ad alte prestazioni difficili o impossibili.
Come si confronta l’acciaio?
L’acciaio è stato un materiale di riferimento per molto tempo grazie al suo alto modulo di elasticità di circa 200 GPa. Questa rigidità, e la sua relativa abbondanza, lo hanno reso un materiale onnipresente per la produzione. Ma con una densità di circa 8 g/cm3 il suo peso può essere molto gravoso per le macchine che deve rafforzare. Questo è circa 5 volte il peso dei materiali in fibra di carbonio che fornirebbero la stessa rigidità o meglio.
Quali sono alcune applicazioni comuni della fibra di carbonio?
La fibra di carbonio può essere utilizzata per produrre un’ampia varietà di prodotti. Tutto ciò che deve essere rigido e leggero è un candidato perfetto per i materiali compositi in fibra di carbonio. Sono opzioni popolari per le custodie dei telefoni, poiché offrono grandi livelli di protezione dai danni. Sono sempre più utilizzati nei droni e nei veicoli aerei senza equipaggio (UAV) dove il peso ridotto contribuisce a una struttura più leggera e a un maggiore carico utile. Nell’industria automobilistica, i nuovi progressi nella tecnologia della fibra di carbonio hanno il potenziale di ridurre il peso dell’auto quasi della metà. Inoltre, la fibra di carbonio non soffre dell’espansione termica dell’acciaio o dell’alluminio. I tavoli di imaging medico beneficiano della forza e della rigidità della fibra di carbonio, mantenendo le dimensioni critiche sotto carico senza rompersi nel tempo, anche dopo alte dosi di raggi X e radiazioni gamma.
Quanto è facile tagliare la fibra di carbonio rispetto all’acciaio?
La fibra di carbonio è più facile da tagliare dell’acciaio. Il suo peso ridotto facilita la manipolazione e le rotelline o le seghe con lame al diamante o al carburo di tungsteno tagliano facilmente il composito in fibra di carbonio e rendono facile la prototipazione.