Panoramica dei compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio

Fibra di carbonio (CF) viene prodotto carbonizzando fibre organiche ad alte temperature in atmosfera inerte. È un ottimo materiale di rinforzo grazie alla sua elevata resistenza, elevato modulo specifico, proprietà termiche superiori, stabilità chimica e caratteristiche di smorzamento, riduzione delle vibrazioni e riduzione del rumore .

Rispetto a compositi termoindurenti tradizionali , i compositi termoplastici offrono cicli di stampaggio più brevi, minore tossicità nella composizione chimica, maggiore tenacità, migliore resistenza agli urti e tolleranza ai danni, maggiore durata di conservazione dei preimpregnati e maggiore capacità di produzione di massa .

I compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio combinano i vantaggi prestazionali della fibra di carbonio e della resina termoplastica. Non subiscono reticolazione chimica dopo lo stampaggio e possono essere rifusi e rimodellati, semplificando il riciclo e il riutilizzo e risolvendo i problemi di smaltimento a fine vita dei materiali termoindurenti in fibra di carbonio. Durante la lavorazione, i compositi termoplastici in fibra di carbonio subiscono cristallizzazione e transizione vetrosa, mentre i compositi termoindurenti in fibra di carbonio subiscono reazioni di reticolazione e polimerizzazione.

Da un punto di vista tecnico, i compositi CF termoplastici sono più difficili da impregnare durante la produzione rispetto ai compositi CF termoindurenti, ma offrono chiari vantaggi: cicli di stampaggio più brevi, resistenza agli urti superiore, saldabilità, capacità di stampaggio secondario e maggiore flessibilità di progettazione .

I componenti realizzati in compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio sono in genere leggero, ad alta resistenza, resistente e riciclabile Hanno ampie prospettive di applicazione in aerospaziale, militare, macchinari di fascia alta, apparecchiature mediche e altri settori .

I compositi rinforzati con fibra di carbonio si differenziano dai tradizionali materiali FRP rinforzati con fibre di vetro o fibre aramidiche. I compositi CFRP (plastiche rinforzate con fibra di carbonio) offrono proprietà eccezionali, tra cui:

L leggero : I compositi rinforzati con fibra di vetro tradizionali utilizzano fibra di vetro continua con una frazione di peso pari al 70% (vetro/peso totale), raggiungendo in genere una densità di 0,065 libbre per pollice cubo.

Alta resistenza Nonostante la loro leggerezza, i compositi CFRP presentano una resistenza e una rigidità per unità di peso significativamente superiori rispetto ai compositi in fibra di vetro. Il loro vantaggio è ancora più evidente se confrontati con i metalli.

Ad esempio, l'esperienza dimostra che i materiali CFRP pesano solo 1/5 di acciaio a resistenza equivalente. È chiaro perché le case automobilistiche stiano esplorando attivamente la fibra di carbonio come sostituto dell'acciaio per migliorare le prestazioni dei veicoli. Rispetto all'alluminio, uno dei metalli più leggeri, a parità di resistenza, l'alluminio pesa comunque circa 1,5 volte più della fibra di carbonio.

Le resine comuni utilizzate nei compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio includono PEEK (polietereterchetone), TPI (poliimmide termoplastica), PPS (solfuro di polifenilene) e PEKK (polietereterchetonechetone) .

Di seguito una breve introduzione delle tre tipologie: poliimmide termoplastica rinforzata con fibra di carbonio, polifenilensolfuro rinforzato con fibra di carbonio e polietereterchetone rinforzato con fibra di carbonio .

1.

Compositi in poliimmide termoplastica (PI) rinforzata con fibra di carbonio

Come nuova generazione di materiali plastici ingegneristici speciali ad alte prestazioni, mantengono l'elevata resistenza, la resistenza alle alte temperature, la resistenza chimica, le buone proprietà dielettriche e la resistenza alle radiazioni delle tradizionali poliimmidi termoindurenti. Offrono inoltre un'eccezionale tenacità e vantaggi nella lavorazione termica, consentendo non solo la pressatura a caldo, ma anche l'estrusione e lo stampaggio a iniezione. L'aggiunta di fibra di carbonio migliora significativamente le proprietà meccaniche della poliimmide termoplastica; quando la frazione di volume di fibra di carbonio raggiunge 30% , la resistenza alla trazione e alla flessione è di circa 2-3 volte quello della resina pura. Il rinforzo in fibra di carbonio conferisce anche migliore resistenza al calore e prestazioni meccaniche , rendendo i compositi termoplastici in poliimmide ideali per applicazioni di alta qualità, resistenti all'usura e alla corrosione .

2.

Compositi di polifenilensolfuro (PPS) rinforzati con fibra di carbonio
Il polifenilensolfuro (PPS) è anche una delle resine termoplastiche più apprezzate nel settore dei compositi. Presenta eccellenti proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e intrinseca ritardanza di fiamma , rendendolo un materiale matrice popolare per vari compositi ad alte prestazioni. Le proprietà meccaniche dei compositi PPS rinforzati con fibra di carbonio sono influenzate dal contenuto di fibre di carbonio; entro una certa soglia, un contenuto di fibre di carbonio più elevato si traduce in una maggiore capacità portante. Esperimenti hanno dimostrato che anche con variazioni di temperatura fino a 100 °C, i pannelli compositi PPS rinforzati con fibra di carbonio continua mantengono una buona stabilità nella resistenza al taglio interlaminare (ILSS).

3.

Compositi in polietereterchetone (PEEK) rinforzato con fibra di carbonio

I compositi di polietereterchetone (PEEK) sono noti per la loro elevata rigidità, eccellente stabilità dimensionale, basso coefficiente di dilatazione termica e capacità di sopportare sollecitazioni immense senza allungamenti significativi nel tempo Inoltre, il PEEK ha un bassa densità, buona lavorabilità ed è adatto per componenti che richiedono elevata precisione Il PEEK stesso è una delle resine termoplastiche con un'eccellente resistenza al calore, in grado di sopportare temperature di esercizio a lungo termine fino a 250°C , mentre le sue proprietà meccaniche rimangono in gran parte inalterate in ambienti ad alta temperatura. Utilizzando fibra di carbonio come rinforzo, le prestazioni del PEEK in termini di la resistenza, la rigidità e la resistenza all'usura sono ulteriormente migliorate , che prolunga significativamente anche la durata complessiva del prodotto. Studi sperimentali hanno dimostrato che quando il contenuto di fibra di carbonio è compreso tra il 30% e il 40%, la resistenza all'usura del materiale composito a base di PEEK migliora significativamente. L'aggiunta di fibra di carbonio ne aumenta efficacemente il valore e la gamma di applicazioni.

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