I materiali compositi in fibra di carbonio sono sempre più utilizzati in vari campi

La fibra di carbonio è un materiale in fibra polimerica inorganica ultraleggera e ad alta resistenza con un contenuto di carbonio superiore al 95%. È più resistente dell'acciaio e più leggero dell'alluminio. Non solo conserva le caratteristiche intrinseche dei materiali in carbonio, ma ha anche la morbida lavorabilità dei materiali in fibra. È un materiale "morbido fuori e rigido dentro".

Oggi troviamo quasi ogni giorno nuovi usi per la fibra di carbonio. Questi minuscoli filamenti, attualmente disponibili in una varietà di forme funzionali, sono solo un decimo dello spessore di un capello umano. Le fibre vengono trasformate in tessuti che possono essere utilizzati in successivi processi di stampaggio e formati in tubi e fogli per la costruzione, o come fili regolari per l'avvolgimento di filamenti.

Inizialmente, la fibra di carbonio veniva utilizzata principalmente nell’industria militare e aerospaziale. Dopo un continuo sviluppo, i suoi campi di applicazione si stanno espandendo ai campi industriali e ai campi civili ordinari. Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, la fibra di carbonio viene utilizzata anche nella riparazione, nel rinnovamento e nel rafforzamento delle infrastrutture, nello sviluppo di nuove energie e nella produzione di eliche e pale per turbine eoliche; la produzione di sistemi frenanti per automobili, alberi rotanti, carrozzerie, ecc.; le applicazioni nel campo elettronico includono principalmente antenne ad alta precisione per comunicazioni, radiodiffusione, osservazione della terra, esplorazione spaziale e vari velivoli.

In termini di prodotti culturali e sportivi, i materiali in fibra di carbonio sono stati promossi dalle canne da pesca e mazze da golf alle racchette da tennis, racchette da badminton, attrezzature per sport sul ghiaccio e sulla neve, attrezzature per sport acquatici, ecc. Tra questi, mazze da golf, racchette da tennis e canne da pesca sono materiali compositi in fibra di carbonio per articoli sportivi. I prodotti dei tre pilastri rappresentano circa l'80% di questa tipologia di prodotti.

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Vantaggi dei compositi in fibra di carbonio

I materiali compositi stanno lentamente sostituendo i materiali tradizionali. I comuni materiali compositi sono buoni sostituti dei materiali tradizionali come metallo e legno in vari campi.

1. I materiali compositi hanno un'elevata resistenza specifica

I materiali CFRP offrono un rapporto resistenza/peso ottimale, resistenza alla corrosione, rigidità e durata. Grazie alla sua bassa densità e resistenza alla trazione, la fibra di carbonio è un'ottima alternativa ai metalli pesanti come l'acciaio perché è leggera. La resistenza alla corrosione intrinseca delle resine termoindurenti consente ai prodotti CFRP di avere una durata maggiore rispetto ai materiali metallici standard perché non arrugginiscono né si corrodono.

L'elevata resistenza specifica dei materiali compositi è il suo più grande vantaggio. Sebbene la fibra di carbonio sia più resistente e rigida di questi due materiali per unità di peso, pesa circa il 25% dell’acciaio e il 70% dell’alluminio. I laminati compositi multistrato assorbono più energia rispetto ai tradizionali strati singoli di acciaio, consentendo agli ingegneri automobilistici di fascia alta di ridurre il peso del veicolo del 60% migliorando al tempo stesso la sicurezza in caso di incidente.

2. I materiali compositi offrono possibilità per nuovi progetti

I materiali compositi offrono alternative progettuali difficili da ottenere con i materiali tradizionali. I materiali compositi possono rafforzare gli oggetti; una singola parte composita può sostituire un intero insieme di parti metalliche.

Qualsiasi trattamento superficiale, da liscio a strutturato, può essere imitato modificando la struttura della superficie. Poiché la fibra di vetro può essere modellata in un'ampia varietà di modelli di imbarcazioni, i materiali compositi costituiscono oltre il 90% degli scafi delle imbarcazioni da diporto. I risparmi a lungo termine derivanti da questi vantaggi includono minori costi di manutenzione e tempi di produzione più brevi.

3. I materiali compositi sono durevoli

I materiali compositi non arrugginiscono indipendentemente dalle condizioni (sebbene siano suscettibili alla corrosione se combinati con componenti metallici). I compositi sono più resistenti della maggior parte dei polimeri, ma più resistenti dei metalli.

Grazie alla loro eccellente stabilità dimensionale, mantengono la loro forma sia a caldo che a freddo, bagnati o asciutti. Pertanto, sono il materiale preferito per le strutture esterne come le pale delle turbine eoliche.

Gli ingegneri preferiscono i compositi rispetto ai materiali tradizionali perché sono più convenienti nel mantenere e fornire stabilità a lungo termine agli edifici che durano per decenni.

4. La produzione di materiali compositi sta diventando più semplice

In passato, gli ingegneri dovevano creare compositi attraverso complesse procedure di stratificazione che richiedevano molto tempo e geometrie di progettazione limitate. Oggi tutto questo è cambiato con il Digital Composite Manufacturing (DCM).

Un metodo di produzione unico chiamato DCM può creare parti composite senza la necessità di manodopera. Con DCM, i materiali compositi possono essere personalizzati in tre dimensioni, a livello locale o globale, per soddisfare la resistenza, la densità e la flessibilità ideali di un progetto. Grazie a DCM, gli ingegneri ora hanno la libertà di stampare in 3D e progettare materiali compositi ad alte prestazioni.

Aggiungendo fibre altamente grafitate, i compositi in fibra di carbonio hanno una conduttività termica molto elevata. Per rimuovere meglio il calore indesiderato dai macchinari elettronici, nei sistemi elettronici sono consigliati anche materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio.

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Applicazione di materiali compositi in fibra di carbonio in prodotti sportivi e per il tempo libero

I campi di applicazione degli articoli sportivi in ​​fibra di carbonio possono essere suddivisi in due direzioni generali. Uno è lo sport agonistico, che enfatizza principalmente l'alta precisione, più alta e più veloce, e l'altro è utilizzato per il fitness quotidiano e il tempo libero, che richiede prestazioni di costo adeguate. Attualmente i prodotti con il maggior consumo di fibra di carbonio nel campo degli articoli sportivi sono:

1. Bicicletta

L'acciaio è il materiale più durevole per le biciclette. Ha una buona elasticità e un basso costo. Tuttavia, a causa della sua alta densità, è facile da arrugginire e affaticare. La lega di alluminio è un materiale comunemente usato sul mercato. È leggero e non arrugginisce. Tuttavia, la sua elasticità è troppo scarsa, si affatica facilmente e il comfort di guida non è buono. La densità della lega di magnesio è inferiore a quella della lega di alluminio e le sue proprietà di base sono simili a quelle della lega di alluminio. La resistenza alla fatica della lega di titanio è migliore rispetto ad altri materiali metallici, ma il prezzo è elevato e il peso specifico non presenta alcun vantaggio. I materiali compositi in fibra di carbonio hanno elevata resistenza, buona elasticità, densità leggera e resistenza alla corrosione. Le biciclette prodotte con materiali compositi in fibra di carbonio hanno le seguenti caratteristiche:

Riduce efficacemente il peso complessivo della bicicletta

La densità dei compositi a matrice di resina in fibra di carbonio è generalmente solo 1,6. È solo un quinto dell'acciaio e può ridurre il peso di circa il 40% rispetto all'alluminio. Nel settore delle biciclette si dice che se il peso viene ridotto di 1 g, il prezzo può aumentare di 1 dollaro. Un telaio per bicicletta in composito di fibra di carbonio è un quarto più leggero di un telaio in lega di alluminio. Il peso leggero può ridurre la perdita di energia fisica e aumentare la velocità di guida.

La rigidità complessiva del corpo è elevata

Un telaio con una buona rigidità favorisce la conversione della forza motrice e migliora le prestazioni di manovrabilità della bicicletta. Le biciclette composite in fibra di carbonio hanno una struttura resistente e non si deformano facilmente. La pratica ha dimostrato che la rigidità del telaio non è inferiore a quella del telaio in acciaio al molibdeno.

Buona resistenza agli urti

La frequenza naturale della struttura non è solo correlata alla forma strutturale, ma anche proporzionale al quadrato del modulo specifico del materiale. Un'elevata frequenza naturale può evitare danni precoci causati dalla risonanza in condizioni di lavoro. Secondo i rapporti, test su telai con la stessa forma e dimensione mostrano che occorrono 9 secondi affinché un telaio in lega di alluminio smetta di vibrare, mentre un materiale composito in fibra di carbonio con una frequenza naturale estremamente elevata impiega solo 2,5 secondi per fermarsi. Il materiale composito ha buone proprietà di smorzamento. Riduce gli urti della bicicletta e migliora il comfort di guida.

Buona sicurezza

La matrice nei materiali compositi in fibra di carbonio circonda le fibre di carbonio indipendenti sotto forma di una fase continua, formando un sistema dinamico e incerto. Quando il materiale subisce un impatto, quando un piccolo numero di fibre si rompe, il carico verrà rapidamente ridistribuito sulle fibre intatte. In questo modo la struttura può continuare a sopportare il carico, migliorando notevolmente la sicurezza di guida. È difficile osservare segni evidenti di danni da fatica dei materiali metallici generali e il danno è spesso improvviso. Tuttavia, i telai compositi in fibra di carbonio hanno un'ottima resistenza alla fatica e si possono osservare segni evidenti prima del danneggiamento. La ricerca mostra che il test di resistenza agli urti di un telaio composito in fibra di carbonio può superare un milione di volte.

Maggiore libertà nella progettazione strutturale

I materiali compositi in fibra di carbonio hanno caratteristiche anisotrope. Questa caratteristica dei materiali compositi può essere sfruttata per disporre e stendere le fibre in base alla direzione e all'entità del carico durante la marcia della bicicletta. La flessibilità della produzione di materiali compositi facilita la progettazione di strutture di varie forme. Ad esempio, una bicicletta aerodinamica può essere progettata secondo principi aerodinamici, è bella e pratica e può facilmente ottenere il miglior rapporto costo-prestazioni.

Buona resistenza alla corrosione

I materiali polimerici hanno una buona resistenza agli acidi, agli alcali e all'atmosfera industriale. Pertanto, i telai delle biciclette realizzati con materiali compositi in fibra di carbonio hanno un'eccellente resistenza alla corrosione da acidi e alcali.

Recentemente, il produttore francese di auto sportive Bugatti e il produttore olandese di biciclette PG hanno lanciato congiuntamente la bicicletta più leggera del mondo. Il design della bici è ispirato all'auto da corsa sportiva Chiron di Bugatti. È realizzato con materiali compositi in fibra di carbonio e pesa solo 11 libbre (circa 4,99 kg). Secondo Architectural Digestc, la bicicletta è realizzata al 95% con materiali compositi in fibra di carbonio.

L'Università tecnica ceca di Praga utilizza un processo automatizzato di avvolgimento del filamento combinato con la tecnologia Integrated Loop (ILT) sviluppata per connessioni continue di tubi in fibra per produrre telai di biciclette e relativi componenti. L'ILT è un processo che combina elementi compositi strutturali come tubi con parti di collegamento. Tutte le parti sono stampate in un unico pezzo e assemblate successivamente.

2. Canna da pesca

Per gli appassionati di pesca, come decidere quale canna da pesca è la migliore? In sintesi si riflette principalmente in tre punti: sottile, leggero e forte. Pertanto, una canna da pesca con prestazioni eccellenti deve soddisfare due caratteristiche: elevata rigidità e leggerezza.

Con l'emergere e lo sviluppo della fibra di carbonio, fornisce alle canne da pesca un'elevata resistenza specifica e un elevato modulo specifico, rendendo queste canne da pesca sempre più leggere. Pertanto, le canne da pesca di oggi sono fondamentalmente chiamate "canne da pesca in fibra di carbonio" ".

Le canne da pesca realizzate con materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio sono molto più leggere dei prodotti GFRP, quindi consumano meno energia durante il ritiro della canna e la distanza di ritiro è circa il 20% maggiore rispetto a quest'ultima. La canna da pesca in CFRP è lunga, buona e rigida. La canna da pesca può riprendersi rapidamente dopo essersi piegata, rendendola più sensibile nel lanciare l'esca. La plastica rinforzata con fibra di carbonio può essere utilizzata anche per realizzare rotoli di attrezzi da pesca, che pesano non più di 140 grammi, ma hanno un'elevata resistenza alla fatica e all'attrito, quindi hanno una lunga durata.

Vantaggi delle canne da pesca in composito di fibra di carbonio: grazie alla loro leggerezza, elevata rigidità e altre caratteristiche, sono ampiamente apprezzate. Nel processo di pesca, i vantaggi delle canne da pesca in fibra di carbonio si riflettono nei seguenti aspetti:

Poiché le canne da pesca in fibra di carbonio sono più leggere e sottili, possono essere facilmente manovrate con una mano

Poiché è leggero, previene l'affaticamento dell'utente

La fibra di carbonio consente canne da pesca di maggiore lunghezza e canne da pesca più lunghe consentono di coprire aree di pesca più ampie

Le canne da pesca in fibra di carbonio sono più reattive ai pesci

Le canne da pesca in fibra di carbonio hanno reso i pescatori sempre più entusiasti anno dopo anno, e hanno anche reso la pesca un'attività ricreativa popolare piuttosto che uno sport di base, il che ha senza dubbio creato un nuovo mercato per il settore della fibra di carbonio.

(3) Racchette da tennis e da badminton

La tendenza di sviluppo delle racchette da tennis è verso dimensioni maggiori e peso più leggero. Attualmente, la maggior parte delle racchette da tennis di fascia alta e media nel mondo sono realizzate con materiali compositi in fibra di carbonio. Le racchette da tennis di grandi dimensioni devono essere realizzate con materiali compositi in fibra di carbonio che siano leggeri, resistenti e grandi in uno stampo specifico. Può sopportare una tensione delle corde più forte rispetto al telaio di una racchetta in legno per garantire che non si deformi quando colpisce la palla. Il materiale composito in fibra di carbonio con buone proprietà di assorbimento delle vibrazioni e smorzamento non solo dà agli atleti un senso di comfort, ma consente anche alla pallina da tennis di acquisire una maggiore velocità iniziale.

La racchetta da tennis in materiali compositi è leggera ma resistente, ha un'elevata rigidità e una sollecitazione ridotta, che può ridurre la deviazione della palla quando entra in contatto con la racchetta. Allo stesso tempo, il CFRP ha un buon smorzamento, che può prolungare il tempo di contatto tra la corda di budello e la pallina, in modo che la pallina da tennis possa avere una maggiore accelerazione. Ad esempio, il tempo di contatto di una racchetta di legno è di 4,33 millisecondi, quello di acciaio è di 4,09 millisecondi e quello di CFRP è di 4,66 millisecondi. Le corrispondenti velocità iniziali della palla sono rispettivamente 1,38 chilometri/ora, 149,6 chilometri/ora e 157,4 chilometri/ora. .

La racchetta da badminton realizzata in materiale composito rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) si caratterizza per la sua leggerezza e l'elevata rigidità, che evita la rottura del manico causata dall'insufficiente rigidità dei prodotti in legno. Ha anche una funzione di assorbimento delle vibrazioni e una buona resilienza, rendendo più facile colpire la palla e la distanza di ritorno della palla è lunga e la precisione di atterraggio della palla è elevata.

4. Mazze da golf

Nel 1972, gli Stati Uniti utilizzarono per la prima volta materiali compositi in fibra di carbonio per realizzare mazze. Nel 1998, il numero di mazze da golf in fibra di carbonio superava di gran lunga quello delle mazze in acciaio. Le mazze da golf sono composte da impugnature, aste e teste delle mazze. Le mazze da golf realizzate con materiali compositi in fibra di carbonio possono ridurre il peso dal 10% al 40% circa. Secondo la legge di conservazione della quantità di moto, quando il peso totale della mazza da golf è costante, una mazza più pesante e una mazza leggera possono aumentare la velocità dello swing e consentire alla pallina di ottenere una maggiore velocità iniziale. Inoltre, i materiali compositi in fibra di carbonio hanno elevate proprietà di smorzamento, consentendo alla palla di essere colpita più a lungo e più lontano.

5. Kayak

Utilizzando il Kevlar, una fibra aramidica comunemente utilizzata in balistica, nei kayak, puoi garantire che una barca ben strutturata resisterà alle crepe e alla frantumazione. Quando i materiali in grafene e fibra di carbonio vengono utilizzati nelle canoe e negli scafi delle barche, non solo possono aumentare la resistenza operativa dello scafo e ridurre il peso, ma anche aumentare la distanza di scorrimento.

6. Corse

Negli anni '80, quando il team McLaren F1 utilizzava materiali in fibra di carbonio per costruire i suoi telai da corsa, le loro auto da corsa dominavano il campo. Di conseguenza, l'approccio della McLaren fu imitato da altri team e successivamente riproposto in varie supercar, auto ad alte prestazioni e auto civili.

Attualmente, l'applicazione della fibra di carbonio nell'industria automobilistica è principalmente divisa in due tipologie: a secco e a umido. Tra questi, la fibra di carbonio secca ha meno resina residua durante la produzione, le parti stampate sono più resistenti e più costose, quindi è ampiamente utilizzata dai principali marchi di ultra-lusso.

Il contenuto di resina nella fibra di carbonio bagnata è maggiore, quindi la resistenza del componente e il costo di produzione saranno molto più economici rispetto alla fibra di carbonio secca. Ma che si tratti di fibra di carbonio asciutta o bagnata, ha prestazioni migliori rispetto ai materiali convenzionali.

Il corpo dell'Ares AMR Pro utilizza una speciale vernice verde fluorescente e aggiunge anche un pannello decorativo in fibra di carbonio dove è possibile vedere la disposizione dei fili di carbonio. Le linee del veicolo sono più snelle e anche gli specchietti retrovisori laterali sono stati modificati per risultare più aerodinamici. Design meccanico, dietro i parafanghi anteriori vengono utilizzate aperture di ventilazione in più pezzi, che possono guidare meglio l'aria nei passaruota. Le minigonne laterali che sfiorano quasi il suolo sono collegate alle sopracciglia delle ruote anteriori e posteriori. Molto affascinante anche il design della porta ad ala di gabbiano. , le ruote anteriori da 20 pollici e le ruote posteriori da 21 pollici sono dotate di pneumatici larghi e piatti e sistemi frenanti in fibra di carbonio ceramica Rembo, che rendono il veicolo più bello.

Anche gli interni dell'auto copiano il design classico dell'auto da corsa di formula F1. L'abitacolo integrato in fibra di carbonio rende il veicolo più rigido. Il tetto, l'abitacolo e il telaio sono tutti progettati in fibra di carbonio. Il veicolo è più rigido e il road feedback è più realistico. , più positivo. L'ampia area di materiale scamosciato riecheggia il materiale in fibra di carbonio a vista. La console centrale è dotata di un volante rettangolare arrotondato. Al centro del volante è presente uno schermo LCD per visualizzare le informazioni di base sul veicolo. I due schermi LCD mobili sono inclinati con angolazioni diverse. Dal lato guida, il sedile da corsa integrato in fibra di carbonio è leggero e può anche fornire un migliore avvolgimento e supporto per il conducente.

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Riciclo della fibra di carbonio

I materiali compositi in fibra di carbonio stanno diventando sempre più popolari e il loro utilizzo aumenta di anno in anno. Il riciclo di questi materiali rimane difficile ma ancora necessario a livello europeo per ragioni ambientali, economiche e legislative. Presso IMT Mines Albi, i ricercatori stanno studiando la pirolisi del vapore per recuperare le fibre di carbonio.

Il processo messo a punto dai ricercatori dell'Albi si chiama “pirolisi a vapore” e combina questi due processi. Attualmente, il passaggio al riutilizzo su larga scala della fibra di carbonio è una delle soluzioni più promettenti al mondo. Oltre ad Albi, ci sono solo pochi altri centri di ricerca al mondo che lavorano su questo argomento (principalmente in Giappone, Cina e Corea del Sud).

Il modo più semplice per riutilizzare la fibra di carbonio è stendere i fasci di fibre interconnesse su una superficie piana e riutilizzarli in questa forma come feltro di carbonio. Pertanto, verranno utilizzati per realizzare compositi per parti decorative piuttosto che per parti strutturali. La dimensione delle fibre riciclate può anche essere ulteriormente ridotta per fungere da rinforzo per le particelle polimeriche.

Anche il taglio e il rimodellamento sono metodi di riciclaggio comuni per le resine termoplastiche. Quando il grado di orientamento delle fibre è simile, il contenuto in volume della fibra di carbonio è il principale fattore che influenza le proprietà meccaniche del materiale composito riciclato. Il valore del modulo del materiale composito rinforzato con fibra di carbonio riciclata dipende principalmente dalla lunghezza della fibra di carbonio, mentre il valore di resistenza dipende dalla fibra e dalla resina. qualità dell'impregnazione. Attraverso l'ottimizzazione industriale, il metodo di affettatura e rimodellamento può realizzare un riciclaggio ripetuto e a basso costo di materiali compositi in fibra di carbonio, che possono soddisfare l'applicazione di materiali compositi in fibra di carbonio in campi civili generali. Recentemente, oltre al settore aerospaziale, i materiali compositi termoplastici continui rinforzati con fibra di carbonio sono stati gradualmente utilizzati anche nei dispositivi medici chirurgici ortopedici, negli apparecchi elettronici, nelle industrie di fascia alta e in altri campi.

Articolo tratto da internet.