Tipi di fibre utilizzate nei materiali compositi

Le proprietà strutturali dei materiali compositi derivano principalmente dal rinforzo delle fibre. Nei materiali compositi, le fibre tenute in posizione dalla matrice resina aiutano a migliorare la resistenza alla trazione, migliorando le proprietà della parte finale come resistenza e rigidità, riducendo al minimo il peso.

Le proprietà della fibra sono determinate dal processo di produzione della fibra, nonché dagli ingredienti e dai prodotti chimici di rivestimento utilizzati nel processo.

Fibra di vetro

La maggior parte delle fibre utilizzate nell'industria dei compositi sono fibre di vetro. La fibra di vetro è il materiale di rinforzo più antico e di gran lunga più comune nella maggior parte delle applicazioni del mercato finale (l'industria aerospaziale è un'importante eccezione), dove viene utilizzata per sostituire le parti metalliche più pesanti.

La fibra di vetro è più pesante del materiale di rinforzo più comune, la fibra di carbonio, non è altrettanto dura, ma è più resistente agli urti e ha un allungamento maggiore a rottura (cioè si allunga maggiormente prima di rompersi). A seconda del tipo di fibra di vetro, del diametro del filamento, della composizione chimica del rivestimento (detta "dimensionamento") e della forma della fibra, è possibile ottenere un'ampia gamma di proprietà e livelli di prestazione.

Per produrre le fibre di vetro, la materia prima viene fusa e trasformata in filamenti sottili e altamente macinati di diametro compreso tra 3,5 micron e 24 micron. La sabbia silicea è la principale materia prima e rappresenta solitamente oltre il 50% del peso della fibra di vetro. È possibile aggiungere ossidi metallici e altri componenti alla silice e modificare i metodi di lavorazione per personalizzare le fibre per applicazioni specifiche.

Le fibre di vetro continue vengono fornite in fasci detti roving. Lo stoppino è solitamente un fascio di filo non ritorto avvolto come un filo su una grande bobina. Lo stoppino a terminazione singola è costituito da trefoli di più fibre di vetro continue che si estendono lungo la lunghezza del trefolo. Lo stoppino multiplo contiene trefoli più lunghi, ma non completamente continui, che vengono aggiunti o rilasciati in una disposizione sfalsata durante l'avvolgimento. Un filo è un gruppo di fili ritorti insieme.

La fibra di vetro elettrica, o fibra di vetro E, è così chiamata perché la sua composizione chimica la rende un eccellente isolante elettrico, particolarmente adatto per applicazioni che richiedono trasparenza del segnale radio, come radome di aerei, antenne e circuiti stampati. Tuttavia, è anche la fibra di vetro più economica per i materiali compositi, poiché fornisce resistenza sufficiente a un costo relativamente basso per soddisfare i requisiti prestazionali in molte applicazioni. È diventata la forma standard di fibra di vetro, rappresentando oltre il 90% di tutti i materiali di rinforzo in fibra di vetro. Almeno il 50% della fibra di vetro E è costituita da ossido di silicio; Le tolleranze includono ossidi di alluminio, boro, calcio e/o altri composti, tra cui calcare, fluorite, acido borico e argilla.

Quando è necessaria una maggiore resistenza, le fibre di vetro ad alta resistenza, sviluppate per la prima volta per applicazioni militari negli anni '60, rappresentano un'opzione. Ha diversi nomi: S glass fibre negli Stati Uniti, R glass fibre in Europa e T glass.2 in Giappone. Fibra di vetro, la sua resistenza alla trazione del filo è di circa 700 ksi, modulo di trazione fino a 14 Msi. Il contenuto di ossido di silicio, allumina e ossido di magnesio della fibra di vetro S è significativamente superiore a quello della fibra di vetro E ed è del 40 ~ 70% più resistente della fibra di vetro E.

When the temperature is increased from ambient temperature to 540°C, the tensile strength of E-glass fiber and S-glass fiber is reduced by half, although both fibers still exhibit good strength over this elevated temperature range. Manufacturers constantly adjust the formula of S glass fiber. For example, AGY Holding Corp. (Aiken, SC, US) introduced S-3 UHM (Ultra High Modulus) glass fiber a few years ago. The upgraded S-3 glass fiber has a tensile modulus of 14,359, which is higher than S-glass fiber glass and 40% higher than E-glass, due to improved fiber manufacturing as well as proprietary additives and melt chemistry.

Although glass fibers have relatively high chemical resistance, they are eroded by leaching when exposed to water. For example, an E-glass filament with a diameter of 10 μs typically loses 0.7% of its weight when left in hot water for 24 hours. However, the rate of erosion slows significantly because the leached glass fibers form a protective barrier on the outside of the filaments; After 7 days of exposure, the total weight loss was only 0.9%. To slow down erosion, moisture-resistant adhesives, such as silane compounds, are used in the fiber manufacturing process.

Corrosion-resistant glass fibers, known as C glass fibers or E-CR glass fibers, are more resistant to acidic solutions than E glass fibers. However, E-glass fiber and S-glass fiber are more resistant to sodium carbonate solution (alkali) than C-glass fiber. Boron-free glass fibers are comparable in performance and price to e-glass, showing higher corrosion resistance in acidic environments (similar to E-CR glass fibers), higher elastic modulus, and better high-temperature performance. In addition, removing boron from the manufacturing process has less impact on the environment, which is a decisive advantage.

Fibra di carbonio

La fibra di carbonio è di gran lunga la fibra più utilizzata nelle applicazioni ad alte prestazioni ed è prodotta da una varietà di precursori, tra cui poliacrilonitrile (PAN), rayon, asfalto e precursori biologici ricchi di carbonio come lignina o bio- basato su PAN. Le fibre precursori vengono trattate chimicamente, riscaldate e allungate, quindi carbonizzate per formare fibre ad alta resistenza. Le prime fibre di carbonio ad alte prestazioni sul mercato erano realizzate con precursori del rayon. Le fibre di carbonio a base di pan hanno da tempo sostituito il rayon nelle applicazioni strutturali, ma la sezione trasversale "dogbone" del rayon e le proprietà ad alta temperatura spesso ne fanno la fibra preferita per l'ablazione dei compositi carbonio/carbonio (C/C) negli scudi termici. La fibra di carbonio a base di Pan è la fibra di carbonio più utilizzata. Offrono una gamma di proprietà straordinarie, tra cui un'eccellente resistenza (1000 KLB/pollice quadrato) ed elevata rigidità. Le fibre di asfalto sono costituite da bitume di petrolio o di carbone e hanno una rigidità da elevata a estremamente elevata e un'espansione termica assiale da bassa a negativa (espansione termica CTE). Le loro caratteristiche CTE sono particolarmente utili nelle applicazioni dei veicoli spaziali che richiedono la gestione termica, come gli alloggiamenti degli strumenti elettronici.

Sebbene la fibra di carbonio sia più resistente della fibra di vetro o aramidica, a causa della sua conduttività elettrica, la fibra di carbonio non solo ha una scarsa resistenza agli urti, ma può anche causare corrosione galvanica nel metallo con cui entra in contatto. I produttori superano quest'ultimo problema utilizzando un materiale barriera o uno strato di velo (solitamente fibra di vetro/resina epossidica) durante il processo di laminazione del laminato.

La forma base della fibra di carbonio ad alte prestazioni è un fascio di fibre continuo chiamato traino. Il fascio di fibra di carbonio è costituito da migliaia di filamenti continui e non ritorti, il numero di filamenti è rappresentato da un numero seguito da una "K", che significa moltiplicato per 1000 (ad esempio, 12K significa che il numero di filamenti è 12000). Il cavo può essere utilizzato direttamente per processi quali l'avvolgimento di fibre o la pultrusione, oppure può essere convertito in nastro unidirezionale, tessuto e altre forme migliorate.

Stampaggio a iniezione

Conosciuto anche come stampaggio a iniezione, le materie prime in resina termoplastica (pellet) come nylon rinforzato con fibra di carbonio e policarbonato vengono riscaldate, fuse e iniettate nella cavità dello stampo (gap). Questo è un metodo di stampaggio adatto per lo stampaggio a ciclo breve e con forme complesse.