FIBRE DI CARBONIO
Questo termine viene impiegato per indicare un rinforzo essenzialmente costituito da un carbonio amorfo con una percentuale variabile, secondo il processo produttivo, di grafite cristallina. Le elevate proprieta' meccaniche della fibra di carbonio derivano proprio dala particolare struttura cristallina della grafite. Normalmente infatti questi cristalli, costituiti da piani sovrapposti di atomi di carbonio sono disposti casualmente ed e' il processo di fabbricazione che provvede al loro allineamento. Il processo produttivo e' estremamente differente da quello delle fibre di vetro; infatti in questo caso si parte da un precursore generalmente fibroso, solitamente poliacrilonitrile (PAN), rayon e pece, con alto contenuto di carbonio e mediante una serie di processi di riscaldamento si arriva ad ottenere carbonio piu' o meno grafitizzato. Il precursore piu' utilizzato e' il PAN, le cui fibre si ottengono per trafilatura di una soluzione del polimero con un opportuno solvente.
Il processo che porta alla produzione di fibre di carbonio mediante PAN risulta costituito dalle seguenti fasi:
  • Stiratura del precursore (T=200-300°C) in atmosfera ossidante necessaria per un pre-allineamento dei cristalli.
  • Stabilizzazione in aria a 220°C, onde evitare fenomeni di rilassamento dinamico che causano scissione delle catene molecolari.
  • Carbonizzazione delle fibre in atmosfera inerte (T=1400-2000°C) durante la quale le fibre polimeriche stabilizzate si trasformano in fibre di carbonio. La struttura atomica che si viene a determinare consente alle fibre di avere un elevato carico di rottura trazionale. Se la grafitizzazione avviene tra i 2500 e i 3000°C si ottengono invece elevate caratteristiche di modulo elastico.
I sottili filamenti che cosi' si ottengono (diametro compreso tra 6 e 10 mm) vengono raccolti senza torsione in un filo (tow) che ne contiene da 1000 a 160000. La dimensione del tow e' importante sia per le applicazioni che per le caratteristiche del prodotto finito da realizzare. Negli impieghi piu' comuni le fibre di carbonio vengon tessute secondo stili differenti di tessiture oppure sono disponibili in nappe unidirezionali.
PROPRIETA' TIPICHE E DI PUNTA DELLE FIBRE DI CARBONIO
PROPRIETA'
UNITA'
ALTA RESISTENZA
MODULO INTERMEDIO
ALTO MODULO
ALTISSIMO MODULO
MODULO ELASTICO
GPa
210
280
340
>470
RESISTENZA A ROTTURA FINO A
MPa
4000
4500
2200
1600
ALLUNGAMENTO A ROTTURA FINO A
%
1.9
1.7
0.7
0.35
DENSITA'
g/cm3
1.72
1.77
1.86
1.96
DIMENSIONI DEL FILAMENTO
mm
7.0
6.4
6.4
6.4
FILI IN TOW*
k
10-160
12-16
4-10
<10

*Si intendono i piu' frequenti tipi di Filament Count utilizzati con queste fibre, esistono pero' applicazioni particolari in cui si utilizzano Tows con numero di filamenti diverso da quelli specificati.