Fibra di carbonio: sviluppi, produzione e impiego

La presente tesi si propone di esplorare gli sviluppi nel campo della fibra di carbonio, analizzando le tecniche di produzione e la lavorazione che vanno dall’impiego di precursori per la sintesi delle fibre, fino alla realizzazione di manufatti destinati ad impieghi ad alte prestazioni; con un focus alla produzione dei telai per bici in fibra di carbonio.
Il lavoro inizia con un’analisi storico-economica, ripercorrendo le fasi che, dai laboratori di Thomas Edison fino agli uffici delle più importanti multinazionali, hanno contribuito allo sviluppo, alla qualità e alla sostenibilità del materiale.
Successivamente, la tesi analizza i processi industriali per la produzione delle fibre; il poliacrilonitrile (PAN) e il bitume (PITCH) sono i due precursori attualmente utilizzati per le produzioni su larga scala delle fibre di carbonio; tuttavia, in un’ottica di politiche sostenibili, la preoccupazione dovuta all’impiego di sostanze derivanti da idrocarburi e l’impatto ambientale dei processi produttivi ha spinto i ricercatori a sviluppare nuove soluzioni di sostanze bio-based.
La produzione delle fibre di carbonio è solo la prima della lunga serie di processi per l’ottenimento di un manufatto finito: la tessitura delle fibre, il trattamento con la matrice polimerica e il periodo di cura verranno descritte nella fase successiva.
È consueto associare l’impiego dei CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polimer) ad applicazioni di alto livello prestazionale; questo è dovuto alle ottime caratteristiche che questo materiale dimostra:
• Bassa densità;
• Elevata inerzia chimica;
• Elevata conducibilità termica ed elettrica;
• Elevate caratteristiche meccaniche.
Proprio quest’ultima proprietà fa preferire, in molte applicazioni, i CFRP ad altri materiai compositi o metallici.
Per valutare le caratteristiche meccaniche del materiale vengono eseguiti test di laboratorio, le cui condizioni sono fissate da normative dedicate: prova di trazione, compressione, flessione, taglio interlaminare; resistenza all’impatto, alla frattura e alla fatica sono quelle che permettono di caratterizzare il materiale.
Infine, un focus particolare è rivolto all’impiego di tale materiale nella produzione dei telai in fibra di carbonio, esplorando le sfide legate all’integrazione nella manifattura di prodotti robusti e leggeri, sfruttando software di modellazione 3D, analisi degli elementi finiti (FEM) e simulazione fluidodinamica computazionale (CFD), oltre che sistemi di controllo non distruttivi basati su tecnologie a ultrasuoni.