L'affascinante storia della fibra di carbonio: chi ha inventato questo composito ad alte prestazioni?

L'era moderna ha assistito all'emergere di molti materiali straordinari, ma pochi sono eccezionali come la fibra di carbonio. È ineguagliabile nel suo rapporto resistenza/peso, vanta un'eccellente durata ed è resistente alla corrosione. Attività industriali come l'aerospaziale, l'automotive e persino lo sport sono diventate dipendenti da essa, eppure le origini della fibra di carbonio sono spesso trascurate. La storia dietro la fibra di carbonio è molto accattivante. Questo articolo mira a far luce sull'invenzione della fibra di carbonio, i suoi usi iniziali e la sua evoluzione come composito ad alte prestazioni di oggi. Comprendere la storia della fibra di carbonio fornisce inoltre spunti su come continua a guidare l'innovazione nell'ingegneria.

A chi viene attribuita l'invenzione della fibra di carbonio?

La scoperta rivoluzionaria di Roger Bacon nel 1958

La forma più moderna delle fibre di carbonio può essere attribuita al fisico Roger Bacon, che lavorò al Parma Technical Center della Union Carbide nel 1958 e svolse un lavoro preliminare per l'industria. La vendita di fibre di carbonio ebbe origine durante la ricerca di Bacon e prevedeva la crescita di baffi di grafite in un arco di carbonio. Le fibre prodotte durante questo periodo fornirono un valore notevole poiché la loro resistenza alla trazione e rigidità superavano di gran lunga qualsiasi altra cosa esistente all'epoca. Questi baffi, sebbene di piccole dimensioni, esibivano proprietà straordinarie, mostrando approssimazioni di modulo di elasticità di 700 GPa insieme a una resistenza alla trazione di 20 GPa, dimostrando perfettamente quanto il carbonio possa essere utile nelle applicazioni di materiali avanzati. Con Orderous Cane, la colonna d'acqua di frazionamento di grammi organici ha costituito la base tecnica più antica che ha consentito la creazione di fibre di carbonio polimorfe.

Il contributo di Union Carbide all'evoluzione della fibra di carbonio

Union Carbide ha sintetizzato composti organici che hanno aiutato nello sviluppo di fasi che non è stato fatto quando le fibre di carbonio erano ancora un concetto nel mondo accademico. I file del lavoro di Bacon si sono dimostrati sufficienti per Union Carbide per ridurre i suoi flussi di entrate sui test su scala molto piccola. Per industrializzare la tecnologia delle fibre di carbonio, l'azienda aveva bisogno di un fornitore di fibre di carbonio. Ecco perché Kuyushin ha permesso la produzione di fili sottili dal filtro iniziale di rayon derivato dopo la pirolisi delle fibre nel trattamento delle fibre di temperatura. Ha catturato volentieri le parti funzionanti di Unstorm aggiungendole agli obiettivi prefissati, garantendo loro difetti di prova. Questi sono stati i primi tentativi di utilizzare un filtro di rayon all'interno di una struttura ricca di carbonio con una griglia più adattabile.

Altri importanti contributori alla tecnologia della fibra di carbonio

La fibra di carbonio è stata anche raffinata e commercializzata da altri individui e istituzioni oltre a Roger Bacon. Durante gli anni '1960, quando il Royal Aircraft Establishment (RAE) e la Rolls Royce stavano sviluppando tecnologie nel Regno Unito, sono stati fatti progressi significativi. Gli sforzi erano mirati all'uso del poliacrilonitrile (PAN) come precursore e hanno prodotto fibre con proprietà meccaniche e di trazione migliorate, con alcune che superavano i 2 GPa e moduli vicini ai 200 GPa. Inoltre, le industrie Toray e molte altre aziende in Giappone sono state determinanti nel migliorare la capacità produttiva del materiale integrando tecniche pionieristiche di produzione di massa senza compensare la qualità.

Grazie a questi contributi da parte di ricercatori, aziende e governi, la fibra di carbonio è riuscita a trascendere i limiti della curiosità nei laboratori per trasformarsi in uno dei materiali più preziosi e multifunzionali dell'ingegneria moderna.

Qual era lo scopo originale della fibra di carbonio?

I riferimenti alla fibra di carbonio risalgono al XIX secolo, quando Thomas Edison la utilizzò nella sua lampadina a incandescenza, utilizzando il bambù come filamento. Ciò consentì di testare la resistenza dei materiali in carbonio ad alte temperature. Sfortunatamente, queste fibre erano deboli e non sarebbero applicabili nella società moderna.

La metà del XX secolo ha segnato il momento in cui la fibra di carbonio è diventata un materiale ad alta resistenza. Negli anni '20, il Royal Aircraft Establishment nel Regno Unito ha prodotto filamenti di carbonio che possedevano una migliore resistenza alla trazione, rigidità e poliacrilonitrile. Questi filamenti erano in grado di resistere fino a 1960 MPa, insieme a un modulo di Young che andava da 1,000 a 200 GPa. Con questi progressi, l'uso della fibra di carbonio nell'ingegneria aeronautica è diventato possibile.

Le industrie moderne descrivono un passaggio stimolante dalle invenzioni di Edison all'utilizzo moderno della fibra di carbonio, che sottolinea l'impareggiabile rapporto resistenza-peso della fibra di carbonio. Le moderne fibre di carbonio hanno una resa sbalorditiva di oltre 5,000 MPa e moduli di Young nell'intervallo di 250-1000 GPa in base al loro grado. Oggi, le fibre di carbonio ad alte prestazioni sono prodotte con una precisione notevole. L'uso di fibre di carbonio a base di pece ha ulteriormente ampliato la loro applicabilità in settori strutturali, termici ed elettrici come turbine eoliche, attrezzature sportive e persino dispositivi medici e materiali compositi leggeri per satelliti, automobili e aeromobili.

Lo sviluppo di fibre di carbonio a base di pece ad alta resistenza e alto modulo ha alzato l'asticella delle prestazioni delle fibre di carbonio a base di pece, consentendo maggiori applicazioni nei settori termico, strutturale ed elettrico.

Come è cambiata nel tempo la produzione della fibra di carbonio?

Primi metodi di produzione con fibre a base di rayon

La metà del XX secolo ha visto l'uso di fibre derivate dal rayon per la produzione di fibre di carbonio. Queste fibre sono state sottoposte ad alte temperature per formare una sostanza ricca di carbonio. Sebbene questa tecnica fosse pionieristica a modo suo, ha prodotto fibre con parametri incoerenti, bassa resistenza e limiti nelle applicazioni rispetto alle capacità attuali.

Introduzione dei precursori del poliacrilonitrile (PAN)

Gli anni '1960 rappresentarono un miglioramento sostanziale nelle tecniche di produzione della fibra di carbonio con l'introduzione dei precursori del poliacrilonitrile (PAN). Le fibre PAN consentirono al poliacrilonitrile di basarsi su strutture superiori in cui potevano essere prodotte numerose fibre di resistenza. Inoltre, le fibre di carbonio create da queste fibre organiche possedevano un'elevata resistenza alla trazione ed erano uniformi in tutto il materiale. Grazie a questo cambiamento, soddisfare i requisiti delle industrie aerospaziali e della difesa divenne possibile.

Tecniche moderne di produzione della fibra di carbonio

Oggi, tecniche avanzate che automatizzano i processi di produzione di compositi in fibra di carbonio come stabilizzazione, carbonizzazione e grafitizzazione sono la norma. Ciò riduce la quantità di variabilità aumentando al contempo la facilità di scalabilità. Inoltre, i progressi negli sforzi di riciclaggio consentono di implementare mezzi più sostenibili all'interno del settore.

Quali sono le tappe fondamentali nella storia della fibra di carbonio?

La scoperta fondamentale di Roger Bacon alla Union Carbide nel 1958 è spesso considerata la base dell'industria della fibra di carbonio e dei suoi successivi sviluppi in fibra di carbonio. Per la prima volta, Bacon è stato in grado di creare fibre ad alta resistenza e alto modulo utilizzando un filamento di grafite riscaldato in un nuovo modo sperimentale. Le nuove fibre possedevano incredibili attributi meccanici e vantavano una notevole resistenza alla trazione e rigidità, derivanti dall'architettura cristallina della grafite notevolmente allineata. In particolare, il modulo di trazione era di circa 20 milioni di psi e la resistenza alla trazione era di circa 200,000 psi, che sono cifre incredibilmente impressionanti per qualsiasi materiale.

Questo singolo risultato è stato sufficiente all'American Chemical Society per conferire il premio National Historic Chemical Landmark e tagliare le fondamenta dell'industria moderna della fibra di carbonio. Oltre a questa importanza, le scoperte di Bacon hanno portato a una rivoluzione nei settori aerospaziale e automobilistico, così come in altri campi di ingegneria avanzata che richiedono materiali leggeri e robusti per progetti critici.

Come si confrontano le proprietà della fibra di carbonio con quelle di altri materiali?

Resistenza alla trazione e caratteristiche di leggerezza

La fibra di carbonio è uno dei materiali industriali più resistenti ed è notevolmente più leggera rispetto a materiali come acciaio e alluminio. La sua resistenza alla trazione può raggiungere tra 250,000 e 800,000 psi, variando a seconda del tipo e del metodo di produzione. A differenza dei materiali convenzionali, la densità della fibra di carbonio è di circa 1.6 g/cm³, in netto contrasto con i 7.8 g/cm³ dell'acciaio. Questo eccezionale rapporto resistenza/peso è il motivo per cui la fibra di carbonio è il materiale preferito nei settori aerospaziale e automobilistico in cui è necessario ridurre il peso strutturale.

Conduttività termica e altre proprietà fisiche

Sebbene la fibra di carbonio vanti notevoli proprietà meccaniche, la sua conduttività termica è limitata al tipo di fibra e all'orientamento. Di solito rientra nell'intervallo da 5 W/m·K a 1000 W/m·K per varianti specializzate ad alta conduttività. A differenza di metalli come l'alluminio (che ha un valore di quasi 237 W/m·K), i compositi in fibra di carbonio di solito servono come isolamento termico grazie alla matrice di resina. Tra le altre caratteristiche, un elevato modulo di elasticità che varia da 20 milioni a 50 milioni di psi e una grande resistenza alla fatica. Queste proprietà gli consentono di funzionare in modo affidabile in condizioni dinamiche ed estreme, migliorando così la sua applicazione per l'uso nell'ingegneria avanzata.

Quali settori sono stati rivoluzionati dalla fibra di carbonio?

Applicazioni aerospaziali e automobilistiche

I settori aerospaziale e automobilistico sono stati trasformati dall'avvento della fibra di carbonio, dato il suo rapporto resistenza-peso senza pari. Per l'aerospaziale, il materiale è fondamentale per ridurre al minimo il peso dell'aereo senza compromettere la resistenza strutturale, il che ottimizza il consumo di carburante e massimizza le capacità di carico utile. Ad esempio, i compositi in fibra di carbonio sono impiegati nelle sezioni della fusoliera e delle ali dell'aereo, dove la sola resistenza alla trazione è di circa 600 ksi. Allo stesso modo, l'industria automobilistica è in grado di sfruttare le fibre di carbonio nelle supercar di fascia alta, soprattutto quando si tratta di scocca e parti rigide del telaio, dove accelerazione, frenata e prestazioni complessive del veicolo sono migliorate. Il suo elevato modulo di elasticità, fino a 50 milioni di psi, garantisce affidabilità sotto sollecitazioni dinamiche pulsanti e urti.

Attrezzature sportive e beni di consumo

Il composito in fibra di carbonio è ampiamente utilizzato nei settori dello sport e del tempo libero per la sua leggerezza e rigidità. Si trova in biciclette, racchette da tennis, mazze da golf e canne da pesca. Ad esempio, il telaio di una bicicletta in fibra di carbonio può pesare meno di 1 kg pur avendo una resistenza alla trazione di 500 ksi, offrendo velocità e destrezza senza pari. Allo stesso modo, la fibra di carbonio è incorporata nell'involucro di beni di consumo come laptop e smartphone per il suo fascino estetico e la sua resistenza senza il peso aggiunto. Queste proprietà, unite, aiutano a migliorare la qualità del prodotto senza perdere durata.

Usi in edilizia e infrastrutture

Il settore edile si sta adattando all'uso di materiali innovativi come la fibra di carbonio, che incorpora un'elevata resistenza alla trazione e una proprietà anticorrosione. C'è una crescente applicazione per il rafforzamento di strutture in calcestruzzo come ponti ed edifici, dove è necessaria resistenza combinata con leggerezza. Il polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) è utilizzato per avvolgere travi di supporto e colonne dove le capacità di carico superano i 2000 MPa. Possiede anche una resistenza al degrado ambientale, che mantiene la resistenza della struttura in condizioni estreme. Pertanto, la fibra di carbonio continua a dominare il mercato delle infrastrutture moderne con le sue esigenze di maggiore durata e minori costi di manutenzione.

Quale futuro per la tecnologia della fibra di carbonio?

Progressi nei compositi in fibra di carbonio

Il campo della scienza dei materiali è costantemente messo alla prova dagli ultimi miglioramenti nella tecnologia della fibra di carbonio, poiché queste innovazioni servono ad aumentare le prestazioni, la sostenibilità e l'efficienza. L'ultima innovazione affronta la sfida dei costi producendo compositi ibridi che integrano la fibra di carbonio con la fibra di vetro o l'aramide per ottimizzare la flessibilità e la resistenza all'impatto. Inoltre, vengono sviluppati metodi di produzione utilizzando il poliacrilonitrile (PAN) che riducono ulteriormente i costi e il consumo di energia preservando al contempo l'eccezionale resistenza alla trazione della fibra di carbonio, che supera i 4000 MPa.

Nuovi usi e innovazioni che potrebbero utilizzare la fibra di carbonio

La fibra di carbonio ha molti nuovi utilizzi in alcuni campi come l'edilizia sostenibile, i veicoli per la mobilità aerea urbana, le pale delle turbine eoliche di nuova generazione e altro ancora. Ad esempio, i compositi termoplastici aerospaziali possono essere utilizzati in cicli di produzione rapidi grazie alle loro avanzate capacità di ritenzione del calore di 400 °F (204 °C). Inoltre, il CFRP è ricercato per la produzione di energia nelle turbine eoliche con pale lunghe più di 100 metri per via del loro peso più leggero e dell'eccellente resistenza alla fatica.

Da un punto di vista ambientale, un metodo come il riciclaggio tramite pirolisi dimostra il potenziale nel recupero delle fibre per il riutilizzo, preservando al contempo la resistenza meccanica e consentendo un ciclo di vita circolare per i prodotti in fibra di carbonio. Questi progressi aiutano a risolvere problemi tecnici, ma, cosa ancora più importante, coincidono con la crescente necessità di materiali sostenibili ed efficienti nelle industrie di tutto il mondo.

Domande frequenti (FAQ)

D: A chi viene attribuita la scoperta delle fibre di carbonio?

R: Si dice che Sir Hugh Robert Hurst sia stato il pioniere dell'invenzione delle fibre di carbonio negli anni '1950, che costituiscono la base delle fibre di carbonio ad alte prestazioni che abbiamo oggi.

D: Quali sono le materie prime utilizzate per la produzione di fibre di carbonio a base di PAN?

R: La materia prima principale per la produzione di fibre di carbonio a base di PAN è il poliacrilonitrile (PAN), che viene successivamente lavorato per produrre fibre ad alto modulo a partire dai precursori del PAN.

D: Perché le fibre di carbonio hanno trovato applicazione in molti settori industriali?

R: Le fibre di carbonio hanno trovato applicazione in un'ampia gamma di settori grazie alla loro eccezionale resistenza e al loro elevato modulo, che le rendono utili nell'industria aerospaziale, nella costruzione di automobili e nella produzione di attrezzature sportive.

D: Quale contributo ha dato la vita di Akio Shindo all'evoluzione delle fibre di carbonio?

R: Akio Shindo è stato uno dei principali produttori di fibre di carbonio PAN negli anni '1970, dando un notevole impulso allo sviluppo e all'adozione delle fibre di carbonio.

D: Come viene prodotta oggi la fibra di carbonio commerciale?

R: Oggi le fibre di carbonio commerciali vengono realizzate utilizzando moderni metodi di filatura e riscaldamento del poliacrilonitrile (PAN) per fabbricare molti tipi di fibre di carbonio e tessuti.

D: Cosa significa il contratto tecnologico congiunto per le tecnologie di produzione della fibra di carbonio?

R: Le tecnologie di produzione della fibra di carbonio dei principali produttori sono state consolidate in un unico accordo che ha automatizzato i processi di produzione delle fibre di carbonio.

D: In che modo le fibre di carbonio ad alte prestazioni si differenziano dagli altri tipi?

R: Come altre fibre, le fibre di carbonio ad alte prestazioni si differenziano per il contenuto di carbonio, la resistenza e le proprietà del modulo, che consentono loro di superare le prestazioni delle fibre standard nelle applicazioni più impegnative.

D: Qual è la storia della prima lampadina a incandescenza e il suo legame con le fibre di carbonio?

R: Edison inventò la prima lampadina a incandescenza usando filamenti di carbonio, che furono estremamente importanti per l'evoluzione delle fibre di carbonio. Tuttavia, le attuali fibre di carbonio sono notevolmente diverse sia nella struttura che nella composizione. Basate sulle strutture filamentose del carbonio, le fibre di carbonio sono state molto avanzate.

D: Cosa sono i filamenti interamente in fibra di carbonio e quali sono le loro applicazioni?

R: I filamenti interamente in fibra di carbonio sono realizzati in fibra di carbonio che, grazie alle sue proprietà strutturali uniche, trova applicazioni specifiche nella produzione di componenti aerospaziali e di articoli sportivi avanzati.

Fonti di riferimento

1. Titolo: MATERIALI COMPOSITI IN ALLUMINIO RINFORZATI CON FIBRA DI CARBONIO

Autore: Keiichi Kuniya et al.

Anno di pubblicazione: 2017

Riepilogo: L'obiettivo di questo articolo riguarda lo studio di un materiale composito rinforzato con fibre di carbonio e una matrice realizzata in alluminio con fibre di carbonio incorporate con resistenza alla trazione superiore alla matrice stessa. La ricerca evidenzia lo sviluppo di una fase di carburo all'interfase tra le fibre di carbonio e la matrice di alluminio del composito, che a sua volta rafforza il legame e altre proprietà del composito (Kuniya et al., 2017).

2. Titolo: COMPOSITO DI CARBONIO RINFORZATO CON FIBRA DI CARBONIO E METODO DI PRODUZIONE DELLO STESSO

Autori: non definiti

Anno di pubblicazione: 2017

Riepilogo: Questo studio contribuisce alla letteratura tecnica sui compositi di carbonio rinforzati con fibra di carbonio, con particolare attenzione alle prestazioni elastiche, come il modulo elastico di flessione longitudinale. L'articolo descrive l'applicazione di compositi di fibra di carbonio su fibre di carbonio per una migliore resistenza meccanica e per ridurre al minimo gli effetti di deformazioni, fratture e altri danni causati durante la lavorazione (CARBON FIBER REINFORCED CARBON COMPOSITE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME FIELD OF INVENTION, 2017).

3.Titolo: Struttura della fibra di carbone attivo e processo per produrla

Autori: Non specificato

Anno di pubblicazione: 2017

Riepilogo: Questo metodo di produzione che combina fibre di pece con le fibre precursori della fibra di carbonio descrive la struttura delle fibre di un composito di carbone attivo. Una caratteristica unica della struttura delle fibre che il trattamento attivato è in grado di migliorare le proprietà, i dispositivi e i materiali della fibra di carbonio di pece e molti altri campi (STRUTTURA DELLE FIBRE DI CARBONIO ATTIVO E PROCESSO PER PRODURRE LO STESSO BACKGROUND DELL'INVENZIONE, 2017).

4. Fornitore leader di servizi di lavorazione della fibra di carbonio in Cina