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Che cosa sono i compositi in fibra di carbonio ? Tutti li conoscono di nome, spessissimo associato alle F1, pochi sanno veramente come sono fatti e perchè vengono utilizzati. In questa serie di articoli cercherò di banalizzare concetti magari complessi di chimica e di strutture composite ma sopratutto vi voglio fare vedere come voi stessi potete farvi dei pezzi appunto in fibra di carbonio.

Le fibre di carbonio sono ottenute da un materiale base di fibra organica come il poliacrilonitrile e materiale cellulosio come il bitume. Tale materiale in soluzione viene passato in una filiera, ottenedo dei fili. Segue il riscaldamento prolungato a 220 °C in atmosfera ossidante che serve a modificare la catena polimerica rendendola ad anelli chiusi ed allineati.

Le fibre, che si presentano nere e rigide vengono sottoposte ad una carbonizzazione a 1000 – 1500 °C in atmosfera inerte, cui segue una grafitizzazione a 2000 – 3000 °C. Durante tali procedimenti le fibre sono tenute in tensione in modo da orientarne i cristalli grafitici ed aumentarne la resistenza.

La fibra di carbonio è  quindi una seria di atomi di garfite legati insieme a formare una lunga catena che diviene una fibra con caratteristiche di estrema rigidità, robustezza e anche, non dimentichiamolo, leggerezza. Il materiale appunto definito fibre di carbonio è disponibile in varie forme , quello che interessa di più a noi e sotto forma di stoffa, strano a dirsi di origine relativamente recente in campo materiali in quanto la prima stoffa di carbonio fu prodotta nel 1969.  In genere le stoffe sono di due tipi :

                        

                             Stoffa a fili incrociati                    Stoffa a fili intrecciati tipo il twill inglese

Le fibre di carbonio sono molto resistenti in estensione ma hanno bisogno di quella che si chiama una matrice per prendere la forma voluta e sopratutto mantenerla nel tempo. In genere la matrice che si usa sono le resine epossidiche, anche chiamate resine a due componenti, un componente è la base l’altro componente è il catalizzatore che fa divenire la base durissima, ovviamente  mischiati con rapporto volumetrico a specifiche del produttore.

Matrice di resina e fibre di carbonio

Le resine epossidiche vengono rinforzate dalla fibra di carbonio creando così quello che si chiama una materiale composito.

Esiste un altro gruppo di resine che si usano in certe circostanze per formare dei compositi che sono le resine di poliestere, non le prenderemo in considerazione in quanto non molto indicate per il tipo di prodotto che vogliamo fare. Giusto come informazione generale  le resine epossidiche hanno la caratteristica di riempire tutti gli spazi vuoti della matrice di stoffa di fibra di carbonio mentre le resine di poliestere hanno la caratteristica di seguire la direzione della fibra e non necessariamente riempire tutti gli spazi vuoti, quindi il loro utilizzo nel produrre dei componenti  sotto l’aspetto del processo di costruzione  è  alquanto diverso.

I compositi di fibra di carbonio e resine epossidica hanno la caratteristica strutturale di estrema rigidità che si misura in MSI , tanto per fare dei paragoni un composito di carbonio ha il doppio della rigidità di un similare pezzo in alluminio ma addirittura 10 volte di più  dello stesso pezzo in alluminio se il pezzo in  matrice resina e fibra di carbonio viene riscaldate e formate sotto vuoto in autoclave. In percentuale si può dire che un laminato di fibre di carbonio  ha una rigidità sul rapporto  peso-rigidità di circa il 18% rispetto l’alluminio (parliamo di duralluminio di alta qualità)  e del 14% rispetto all’acciaio.  I laminati in fibra di carbonio possono essere facilmente rinforzati nei punti più importanti e critici , cosa che non sempre è possibile con l’alluminio o l’acciaio. In conclusione i compositi in carbonio sono più duttili per il progettista lasciandogli maggior spazio di manovra su forme complesse.

I compositi di fibra di carbonio danno al progettista un variazione di disegno nello sviluppo di parti che richiedono una grande rigidità e robustezza unita ad un peso estremamente contenuto. Non a caso troviamo i compositi in carbone nel campo aeronautico,  nelle strutture militari, robotica, turbine a vento, negli sport estremi, non ultimo i compositi in carbonio presentano anche la caratteristica di superfici lisce e di bellissimo effetto estetico.

Il contro dei prodotti compositi sta proprio nella loro rigidità strutturale che ne danno doti di resistenza straordinarie ma ha anche la brutta abitudine di cedere di colpo, cioè resiste molto alle sollecitazioni ma quando se ne supera la soglia di resistenza il risultato è catastrofico. Questa caratteristica ben conosciuta dai  progettisti  fa si che la progettazione deve tenere molto in conto gli sforzi che subisce un pezzo composito sopratutto nella fase di disegno e definizione delle  specifiche strutturali in ottica di sicurezza.

Va anche considerato che per produrre delle parti in fibra di carbonio è necessario del personale altamente specializzato dei macchinari e strumenti costosi, sopratutto se si vuole ottenere assemblaggi e parti altamente ottimizzati.

Per concludere questa prima carellata sulle proprietà dei materiali compositi in carbonio paragonandoli ai metalli va ricordato che i metalli hanno caratteristiche di omogeneità su tutto il pezzo prodotto quindi identiche in qualsiasi punto del pezzo, in più i metalli hanno anche proprietà isotropiche cioè le caratteristiche strutturali  , flessione, resistenza etc sono omogenee in qualsiasi direzione del pezzo.

Paragonando lo stesso pezzo fatto in composito di carbonio le sue linee di  forza sono  assiali, cioè seguono,  la direzione delle fibre di carbonio, quindi la direzione delle fibre ha un impatto significativo in base a come vengono orientate per definire la solidità del tutto.

In generale  i compositi in fibra di carbonio non hanno caratteristiche di omogeneità e tanto meno hanno proprietà isotropiche.  Da questa considerazione acquista notevole importanza la disposizione dei tessuti in fibra di carbonio orientandoli  l’uno rispetto gli altri per definire le caratteristiche meccaniche del pezzo che si vuole produrre.  In senso pratico non si ha un laminato in fibra di carbonio con una singola stoffa ma al minimo ne sono necessarie due una sovrapposta e ruotata rispetto l’altra.  Questa considerazione la faccio in quanto nel momento che cominceremo a fare i nostri pezzi dovremo tener presente questa caratteristica interessante.

Qui lo scrivo subito, i pezzi che vi insegnerò a costruire non necessariamente avranno caratteristiche meccaniche rilevati per quanto riguarda la loro resistenza agli sforzi ma saranno pezzi che vanno a sostituire gli originali sulla nostra moto con un effetto ottico da MotoGP ed ovviamente maggiormente leggeri degli originali in genere in abs o plastica.  Fare dei pezzi con caratteristiche strutturali di resistenza e di durata esula da questi articoli in quanto materia complessa che richiede dei calcoli strutturali specifiche ed una sperimentazione successiva del pezzo prima del suo reale utilizzo come parte strutturale.

Vi assicuro che farsi dei pezzi in casa in composito di carbonio vi darà una bella soddisfazione.

Il prossimo articolo  tratterà di tutta la strumentazione necessaria , dei prodotti , materiali etc che sono necessari e purtroppo di una nota dolente : il costo …   purtroppo è un hobby costoso questo ve lo dico subito.

 

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11 COMMENTS

  1. Simona hai visto il nuovo contatore delle gare di moto in prima pagina sotto al link di FaceBook ? Trovato da Giorigo ed il link gentilmente regalato dalla HRC 😀 😀 😀 😀 adesso saranno contenti i tifosi di Casey Stoner che vengono aggiornati !!!!!!!

  2. @Aseb–Grande!!! Te lo sempre detto che ne sai una piu’del diavolo!!!Ora sotto con lo step2,senza fretta pero’!!Se non riesci a postarlo stasera va bene anche domani ok??
    Ho gia’un progetto…un maglione in carbon-fiber!!!!!!
    Mi son gia’procurato il materiale per lo stampo!Una vecchia botte da vino rubata all’ex suocero che riempiro’di gesso per poi immergermi dentro per ottenere il calco!!
    Ora non mi resta che trovare un volontario che poi seghera’la botte in 2 pezzi per liberarmi,non vorrei girovagare per San marino come un Uomo Botte!!! 😀 😀 😀

  3. Macche’ botte non ne hai bisogno, devi trovare solo un volontario che ti spalma di silicone industriale da stampi, pazienti 15-20 minuti che si solildifica, poi te lo si leva come una pelle e si fa poi il pezzo a tua immagine e somiglianza in carbonio 😀 😀 😀 😀

  4. @Simona–Lo sapevo che potevo contare su di te..Grazie!!!! 🙂
    In compenso ti regalero'(se vuoi eh!!)una mia copia esatta in carbon-fiber da tenere in salotto ok??? 😀 😀 😉

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