Cos'è la fibra di carbonio? Cosa rende questo "materiale stellare" così performante?

Parlando di fibra di carbonio, potreste averne sentito parlare nei notizie - frecce di razzi, carrozzerie di treni ad alta velocità, droni, scocche di auto da corsa e persino racchette da badminton di fascia alta presentano la sua presenza. Questa materia piena di "tecnologia nera", in definitiva, cos'è? Oggi, con parole semplici, ti accompagniamo a conoscere la "stella del mondo dei materiali".

Fibra di carbonio, essenzialmente "super filamenti di carbonio"

In breve, la fibra di carbonio è una fibra polimerica inorganica contenente almeno il 90% di carbonio. Non è né un metallo né una plastica, ma un "cristallo di carbonio" — un filamento nero formato attraverso un processo speciale di carbonizzazione di fibre organiche (come il poliacrilonitrile e l'asfalto) ad alte temperature, per rimuovere le impurità.

Aspetto: ha un diametro di soli 5-10 micron (circa 1/10 di un capello), all'occhio nudo sembra un filo nero simile al cotone o alla lana, ma al tatto è più "rigido" del filo di ferro.

Caratteristiche: "Leggero, resistente, durevole, stabile".

(1) La resistenza è 7-9 volte quella dell'acciaio, la tenacità è molto superiore a quella della fibra di vetro;
(2) Densità di soli 1,7 g/cm³, più leggero dell'alluminio (densità dell'alluminio 2,7 g/cm³)
(3) Resistenza alle alte temperature (non si fonde a temperature superiori a 2000 ℃), resistenza alla corrosione (non teme acidi e basi), non conduttivo (con trattamento speciale può diventare conduttivo).

Prestazioni "on e off": ridicolmente leggero e sorprendentemente duro

La grandezza della fibra di carbonio è tutta "garantita" da tre vantaggi fondamentali:

（1）Leggero come una piuma, ma più resistente dell'acciaio：

La densità è solo 1,7-2,0 g/cm³ (1/4 di quella dell'acciaio, 2/3 della lega di alluminio), ma la resistenza alla trazione può raggiungere 3000-7000 MPa (più di 10 volte quella dell'acciaio), e una fune di fibra di carbonio spessa come un dito può sollevare automobili di diverse tonnellate.

（2）Rigidità esplosiva, stabile come una roccia:

Il modulo di elasticità (misura della rigidità) raggiunge 200-600 GPa, praticamente nessuna deformazione sotto sforzo; utilizzato come supporto per satelliti, può mantenere un assetto preciso nello spazio.

（3）Attributi "anti-deformazione" al massimo livello:

Alta resistenza alle temperature elevate (in ambiente inerte fino a 2000 ℃), resistenza agli acidi e alle basi (nell'oceano non si corrode per decenni), resistenza alla fatica (forze ripetute non causano facilmente la rottura), di fronte a cui i metalli devono "arrendersi".

Perché la fibra di carbonio è un "materiale strategico nazionale"?

La produzione della fibra di carbonio è estremamente complessa, e solo pochi paesi al mondo sono in grado di produrre su larga scala fibre di alto livello (principalmente Cina, Giappone e Stati Uniti). Non è soltanto la "pietra angolare" della produzione avanzata, ma riguarda anche settori chiave come l'aerospaziale e la sicurezza difensiva.

Ad esempio, nel settore militare, la fibra di carbonio può essere utilizzata per costruire la fusoliera di caccia stealth (assorbimento delle onde) e il corpo dei missili (riduzione del peso per aumentare l'autonomia); nel campo delle energie rinnovabili, più lunga è la pala dell'aerogeneratore, maggiore è l'efficienza nella generazione di energia, e solo la fibra di carbonio può sostenere pale giganti di livello superiore ai 100 metri.
Negli ultimi anni, l'industria delle fibre di carbonio in Cina ha compiuto rapidi progressi, passando dalla dipendenza dalle importazioni alla produzione autonoma su larga scala, arrivando persino a occupare una posizione dominante nel mercato globale in alcuni settori (come l'energia eolica e gli articoli sportivi).

Come viene "prodotta" la fibra di carbonio?

La grandezza della fibra di carbonio è tutta "garantita" da tre vantaggi fondamentali:

（1）Preparazione del filamento primario

Materie prime come la poliacrilonitrile (PAN) e la pece vengono sottoposte a un processo di filatura per produrre una "silk grezza" (simile alla fibra chimica). Questo passaggio costituisce la base: la qualità della silk grezza determina direttamente le prestazioni della fibra di carbonio (la Cina è rimasta a lungo bloccata proprio in questa fase).

（2）Carbonizzazione

La silk grezza viene riscaldata gradualmente fino a temperature comprese tra 1.000 e 3.000 gradi Celsius in un'atmosfera di gas inerte (per evitare la combustione), eliminando elementi come idrogeno e ossigeno e lasciando soltanto le molecole di carbonio. Dopo questo passaggio, il contenuto di carbonio nella fibra aumenta dal 50% a oltre il 90%, incrementando notevolmente resistenza e durezza.

（3）Lavorazioni successive

Dipende dal applicazione , le fibre di carbonio sono intrecciate in tessuto, avvolte in tubi o combinate con resine, metalli, ecc., per creare "compositi in fibra di carbonio" (come spesso chiamiamo "lastre in fibra di carbonio" e "tubi in fibra di carbonio").

【Curiosità sulla Fibra di Carbonio】

D: Perché è nera?
R: Le strutture grafitiche assorbono quasi tutta la luce visibile.

D: È infiammabile?
R: L'ossidazione inizia a 400°C in aria, ma la capsula la utilizza come scudo termico.

Q: Può essere riciclata?
R: BMW ha reso possibile il riciclo di parti automobilistiche in fibra di carbonio di scarto.