Tutto su fibra di carbonio e come è fatto

Chiamata anche fibra di grafite o grafite di carbonio, fibra di carbonio è costituito da fili molto sottili dell'elemento carbonio. Queste fibre hanno un'elevata resistenza alla trazione e sono estremamente resistenti per le loro dimensioni. In effetti, una forma di fibra di carbonio: la nanotubo di carbonio—È considerato il materiale più resistente disponibile. Fibra di carbonio applicazioni comprendono costruzioni, ingegneria, aerospaziale, veicoli ad alte prestazioni, attrezzature sportive e strumenti musicali. Nel campo dell'energia, la fibra di carbonio viene utilizzata nella produzione di pale di mulini a vento, stoccaggio di gas naturale e celle a combustibile per il trasporto. Nell'industria aeronautica, ha applicazioni sia su aerei militari che commerciali, nonché su veicoli aerei senza equipaggio. Per l'esplorazione petrolifera, viene utilizzato nella produzione di piattaforme e tubi di perforazione per acque profonde.

Fatti veloci: statistiche sulla fibra di carbonio

La fibra di carbonio è costituita da polimeri organici, che consistono in lunghe stringhe di molecole tenute insieme da atomi di carbonio. La maggior parte delle fibre di carbonio (circa il 90%) sono prodotte dal processo di poliacrilonitrile (PAN). Una piccola quantità (circa il 10%) viene prodotta dal rayon o dal processo di pece di petrolio.

Gas, liquidi e altri materiali utilizzati nel processo di fabbricazione creano effetti, qualità e gradi specifici della fibra di carbonio. Produttori di fibra di carbonio usano formule proprietarie e combinazioni di materie prime per i materiali che producono e, in generale, trattano queste formulazioni specifiche come segreti commerciali.

La fibra di carbonio di altissima qualità con il modulo più efficiente (una costante o coefficiente utilizzato per esprimere un grado numerico a che una sostanza possiede una particolare proprietà, come l'elasticità) sono utilizzate in applicazioni impegnative come aerospaziale.

La creazione di fibra di carbonio comporta processi chimici e meccanici. Le materie prime, note come precursori, vengono trascinate in lunghi filamenti e quindi riscaldate a temperature elevate in un ambiente anaerobico (privo di ossigeno). Invece di bruciare, il calore estremo fa vibrare gli atomi di fibra così violentemente che quasi tutti gli atomi non di carbonio vengono espulsi.

Al termine del processo di carbonizzazione, la fibra rimanente è costituita da catene di atomi di carbonio lunghe e strettamente interconnesse con pochi o nessun atomo non di carbonio rimasto. Queste fibre vengono successivamente tessute in tessuto o combinate con altri materiali che vengono poi avvolti o stampati nelle forme e dimensioni desiderate.

I seguenti cinque segmenti sono tipici del processo PAN per la produzione di fibra di carbonio:

1. Filatura. PAN viene miscelato con altri ingredienti e filato in fibre, che vengono poi lavate e stirate.
2. Stabilizzazione. Le fibre subiscono alterazioni chimiche per stabilizzare il legame.
3. carbonizza. Le fibre stabilizzate vengono riscaldate a temperature molto elevate formando cristalli di carbonio strettamente legati.
4. Trattare la superficie. La superficie delle fibre è ossidata per migliorare le proprietà di legame.
5. Dimensionamento. Le fibre sono rivestite e avvolte su bobine, che vengono caricate su filatoi che torcono le fibre in filati di dimensioni diverse. Piuttosto che essere tessuto in tessuti, si possono anche formare fibre composito materiali, utilizzando calore, pressione o un vuoto per legare le fibre con un polimero plastico.

I nanotubi di carbonio sono prodotti con un processo diverso rispetto alle fibre di carbonio standard. Stimato per essere 20 volte più forte dei loro precursori, i nanotubi sono forgiati in forni che impiegano laser per vaporizzare particelle di carbonio.

La produzione di fibre di carbonio comporta una serie di sfide, tra cui:

• La necessità di un recupero e una riparazione più convenienti
• Costi di produzione non sostenibili per alcune applicazioni: ad esempio, anche se sono in fase di sviluppo nuove tecnologie costi proibitivi, l'uso della fibra di carbonio nell'industria automobilistica è attualmente limitato ad alte prestazioni e lusso veicoli.
• Il processo di trattamento della superficie deve essere attentamente regolato per evitare la creazione di fosse che causano fibre difettose.
• È necessario uno stretto controllo per garantire una qualità costante
• Problemi di salute e sicurezza, tra cui irritazione della pelle e della respirazione
• Arcate e cortocircuiti nelle apparecchiature elettriche a causa della forte elettroconduttività delle fibre di carbonio

Mentre la tecnologia della fibra di carbonio continua ad evolversi, le possibilità per la fibra di carbonio si diversificheranno e aumenteranno. Al Massachusetts Institute of Technology, diversi studi incentrati sulla fibra di carbonio stanno già mostrando un grande promessa per la creazione di nuove tecnologie di produzione e design per soddisfare l'industria emergente richiesta.

John Hart, professore associato di ingegneria meccanica del MIT, pioniere dei nanotubi, ha lavorato con i suoi studenti per trasformarsi la tecnologia per la produzione, compresa la ricerca di nuovi materiali da utilizzare in combinazione con stampanti 3D di livello commerciale. "Ho chiesto loro di pensare completamente fuori dai binari; se fossero in grado di concepire una stampante 3D mai realizzata prima o un materiale utile che non può essere stampato con le stampanti attuali ", ha spiegato Hart.

I risultati furono prototipi di macchine che stampavano vetro fuso, gelati soft-service e compositi in fibra di carbonio. Secondo Hart, i gruppi di studenti hanno anche creato macchine in grado di gestire "estrusione parallela di polimeri su vasta area" ed eseguire la "scansione ottica in situ" del processo di stampa.

Inoltre, Hart ha lavorato con il professore associato di chimica del MIT Mircea Dinca su una collaborazione triennale recentemente conclusa con Automobili Lamborghini per studiare le possibilità di nuovi materiali compositi in fibra di carbonio che un giorno potrebbero non solo "consentire alla carrozzeria completa di essere utilizzata come sistema di batterie ", ma porta a" corpi più leggeri, più forti, convertitori catalitici più efficienti, vernice più sottile e migliore trasferimento di calore della trasmissione [generale] ".

Con tali incredibili scoperte all'orizzonte, non sorprende che il mercato della fibra di carbonio sia destinato a crescere da $ 4,7 miliardi nel 2019 a $ 13,3 miliardi entro il 2029, ad un tasso di crescita annuale composto (CAGR) dell'11,0% (o leggermente superiore) nello stesso periodo di tempo.

• McConnell, Vicki. "La fabbricazione della fibra di carbonio." CompositeWorld. 19 dicembre 2008
• Sherman, Don. "Oltre la fibra di carbonio: il prossimo materiale rivoluzionario è 20 volte più forte." Auto e autista. 18 marzo 2015
• Randall, Danielle. “I ricercatori del MIT collaborano con Lamborghini per sviluppare un'auto elettrica del futuro“. MITMECHE / In The News: Dipartimento di Chimica. 16 novembre 2017
• "Mercato della fibra di carbonio per materia prima (PAN, Pitch, Rayon), tipo di fibra (vergine, riciclato), tipo di prodotto, modulo, applicazione (Composito, non composito), industria di uso finale (A & D, settore automobilistico, energia eolica) e regione: previsione globale fino al 2029. " MarketsandMarkets ™. Settembre 2019