Prove sperimentali su materiali compositi in fibra di carbonio e calcolo degli ammissibili

L’utilizzo delle fibre di carbonio sta aumentando in numerosi settori, come quello aerospaziale, delle attrezzature sportive e in molte applicazioni commerciali e industriali. In molti casi i compositi in carbonio hanno rimpiazzato le parti metalliche, pur essendo più costosi in un confronto diretto. Dove sono stati applicati con successo, i compositi con fibra di carbonio hanno abbassato i costi totali del sistema attraverso la riduzione dei costi di manutenzione, la maggiore rapidità dei processi di fabbricazione e la migliore affidabilità. Sono possibili molte nuove applicazioni prima non realizzabili con metalli o altri materiali. Forse in nessun settore c’è una necessità di risparmiare peso maggiore che in quello aeronautico.

L’interesse iniziale per le fibre di carbonio venne guidato quasi esclusivamente dal desiderio di realizzare velivoli con maggiori prestazioni. Oggi le fibre di carbonio sono utilizzate sui velivoli per le strutture primarie e secondarie; abbiamo già detto che un forte impiego si ha nelle strutture primarie dei velivoli militari. Tutte queste applicazioni utilizzano le fibre di carbonio per le loro elevate resistenza e rigidezza specifica.

I formati delle fibre utilizzate includono i prepreg e i fabric per specifici processi di lavorazione. I satelliti incorporano fibre di carbonio a modulo elevato basate sulla pece, in parte per l’alto rapporto rigidezza peso e in parte per il loro coefficiente di espansione termica negativo. Nel settore delle attrezzature sportive le mazze da golf rappresentano attualmente la maggiore applicazione per le fibre di carbonio. Il peso minore e la maggiore rigidezza della mazza, permettono ai costruttori di concentrare il peso nella testa, incrementando la velocità e la distanza del tiro.

La maggior parte delle mazze da golf è realizzata con fogli di prepreg unidirezionali di fibre di carbonio avvolti. Le fibre di carbonio per le canne da pesca sono preferite per il loro basso peso e la maggiore sensibilità offerta. Le canne sono realizzate attraverso un processo di avvolgimento simile a quello delle mazze da golf, utilizzando prepreg unidirezionale.

La maggior parte delle racchette da tennis e per lo squash sono realizzate con prepreg di fibre di carbonio avvolti e poi curati. Le frecce in composito sono fabbricate attraverso due processi: pultrusione o avvolgimento. Gli sci e i componenti delle bici tendono ad impiegare fabric composto da fibre di carbonio.
Per quanto riguarda le applicazioni commerciali e industriali, grandi volumi di fibre di carbonio macinate e tritate sono utilizzati per impartire proprietà statiche di dissipazione a semiconduttori di elaborazione e nelle parti di macchine stampanti e fotocopiatrici. Questi componenti sono realizzati attraverso l’iniezione di materiali termoplastici che sono stati pre-miscelati con fibre di carbonio. L’utilizzo di queste ultime garantisce la conduttività elettrica e la capacità di realizzare un rinforzo a basso peso per i termoplastici. I semiassi e i giunti in fibra di carbonio hanno sostituito alberi in acciaio per le torri di raffreddamento e in molte altre applicazioni di trasmissione della coppia. Le proprietà che favoriscono il loro impiego sono la resistenza alla corrosione, il basso peso e l’elevata rigidezza che riduce le vibrazioni.
I processi di filament winding sono utilizzati per realizzare gli alberi e disporre le fibre a vari angoli in funzione delle caratteristiche torcenti e vibrazionali desiderate per quell’applicazione. Il desiderio di una più rapida lavorazione nel settore della carta ha favorito l’impiego di rulli in carbonio, che girano più velocemente e presentano deflessioni minori di quelli in acciaio. I rulli fino al metro di diametro sono realizzati con un processo automatico di filament winding. L’iniezione di liquidi nei pozzi petroliferi per stimolare la produzione è attualmente eseguita con tubi compositi di carbonio. Il tubo è realizzato in un processo continuo in cui il rivestimento termoplastico è tirato attraverso più set di bobine rotanti che contengono le fibre di carbonio. Le fibre sono bagnate dalla resina e avvolte sul rivestimento, che serve come mandrino. Il tubo è curato in linea.
Nonostante il costo sia maggiore di un tubo in acciaio, l’utilizzo di quello in carbonio sta crescendo grazie alle migliori prestazioni a fatica che comportano una maggiore affidabilità. L’esaurimento dei giacimenti in acque poco profonde e il passaggio a maggiori profondità ha aumentato l’interesse delle compagnie petrolifere per i compositi in fibra di carbonio. Un'altra applicazione interessante è nel settore edile, nella realizzazione di aste di rinforzo in fibra di carbonio. A differenza delle fibre di vetro queste sono inerti all’attacco alcalino e alla corrosione e soddisfano la richiesta di maggiore vita utile delle infrastrutture. L’adeguamento sismico di colonne, di ponti e muri è stato ampiamente realizzato in Giappone con fogli di fibre di carbonio o tessuti saturi di resina applicati alla struttura in calcestruzzo. L’elevata rigidezza del carbonio minimizza il movimento del calcestruzzo e l’inerzia alla corrosione assicura protezione a lungo termine. Le proprietà elettriche della fibra di carbonio e la possibilità di configurare il materiale in una membrana semipermeabile, rendono il carbonio il materiale adatto per la realizzazione di celle a combustibile per alimentare motori di nuova generazione.

La maggior parte degli sforzi nel settore delle fibre di carbonio è oggi diretto alla riduzione dei costi. La prospettiva di questa riduzione ha stimolato l’interesse in molte nuove applicazioni. La familiarità con i materiali compositi sta crescendo, ma è ancora al di sotto di quella con i metalli. Possiamo aspettarci che la domanda di fibre di carbonio crescerà insieme alla capacità degli ingegneri di capire come progettare con queste fibre. La standardizzazione delle proprietà è un altro aspetto atteso. Man mano che cresceranno i campi di applicazione i clienti chiederanno una maggiore standardizzazione ai produttori di fibra di carbonio.