Caratterizzazione delle proprietà meccaniche di impatto di compositi polimerici basati su PEEK e fibre di carbonio

Tra le fibre più rivoluzionarie presenti in letteratura si trova certamente la fibra di carbonio, scoperta da Thomas Edison che nel 1878 fu il primo a convertire le fibre di cellulosa in fibre di carbonio per ricavare il filamento delle lampadine a incandescenza. Colui che creò artificialmente una fibra di carbonio ad alte prestazioni fu Roger Bacon nel 1958, arrotolando filamenti di grafite in rotoli che si estendevano in modo continuo sull'intera lunghezza del filamento di grafite. Sono state prodotte commercialmente dal 1960 secondo un procedimento messo a punto da William Watt per la Royal Aircraft, rappresentando il punto di separazione tra le fibre organiche e le fibre inorganiche in quanto prodotte per modificazione di fibre organiche, ovvero prodotte per trattamento termico e pirolisi di diversi precursori polimerici quali il rayon, il poliacrilonitrile, le poliammidi aromatiche, le resine fenoliche, o da peci organiche, introdotte più di recente. Hanno dimensioni tra i 5 e i 15 micrometri, a seconda del metodo di preparazione.
Il precursore che ha iniziato l’era delle fibre di carbonio ad alte prestazioni, è stata la fibra di poliacrilonitrile, PAN, caratterizzata da una composizione chimica adeguata, da un particolare orientamento molecolare e da una certa morfologia. La composizione chimica è importante per moderare l’esotermicità della reazione di ciclizzazione ad opera dei gruppi nitrile —CN, 18kcal/mole, condotta tra i 220 e i 260 °C per alcune ore in presenza di aria. Mediante il controllo della ritrazione della fibra durante questa fase, viene determinato l’allineamento dei segmenti molecolari lungo l’asse della fibra, orientamento da cui dipende il modulo elastico finale.
Aumentando la temperatura, sempre in presenza di aria avviene il processo di ossidazione durante il quale vengono rotti i legami esistenti tra carbonio e idrogeno. Come conseguenza, gli anelli precedentemente formati diventano aromatici e il processo libera idrogeno allo stato gassoso. La reazione di ossidazione porta ad un materiale ignifugo di colore nero, PAN ossidato, ma con proprietà meccaniche modeste, che viene utilizzato per abbigliamento protettivo, per ovatte ignifughe o in compositi carbonio-carbonio, per freni ad elevate prestazioni (aerei, macchine da corsa e treni ad alta velocità). Il processo successivo di carbonizzazione (400-1000 °C) è generalmente condotto in atmosfera inerte o sotto vuoto e porta alla rimozione di atomi di idrogeno dalla struttura sotto forma di gas H₂, sviluppando una struttura come quella della grafite, con ibridazione sp². Il risultato di questo processo è la formazione di polimeri "a nastro" costituiti da tre catene di anelli aromatici, i quali presentano alle estremità laterali atomi di azoto (N), in quantità del 5% con più del 90% di carbonio. [...]