I polimeri sono uno dei materiali più comunemente usati e conosciuti del 21° secolo. Tuttavia, i polimeri puri non sono sufficienti per l’uso in industrie che richiedono grande robustezza ed eccellente resistenza al calore. Di conseguenza, i compositi termoplastici sono i materiali preferiti e la creazione di questi nuovi materiali richiederà il superamento di ostacoli quali l’elevato consumo energetico, i costi elevati dei materiali, l’affidabilità e la riciclabilità.

La fibra di carbonio (CF) ha attirato l'attenzione del mercato per le sue eccellenti caratteristiche come leggerezza, resistenza alle alte temperature, bassa densità, alto modulo e buona resistenza chimica. Il CF è anche un materiale unico con un elevato rapporto resistenza/peso, bassa tossicità, riciclabile, non corrosivo e buona resistenza all'usura. In generale, la CF ha proprietà elettriche, fisiche, meccaniche e termiche significative. Il materiale composito termoplastico si riferisce al polimero termoplastico (come polietilene (PE), poliammide (PA), polifenilene solfuro (PPS), polieterimmide (PEI), polietere chetone chetone (PEKK) e polietere etere chetone (PEEK) come matrice. Materiali compositi costituiti da varie fibre continue/discontinue (come fibra di carbonio, fibra di vetro, fibra di aramidone, ecc.) come materiali di rinforzo.

I compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio (CFRTP) hanno eccellenti proprietà termiche, meccaniche ed elettriche, che li rendono ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel settore marittimo, automobilistico, degli articoli sportivi e nelle applicazioni aeronautiche.

La fibra di carbonio è un materiale promettente per rinforzare la matrice polimerica. Esistono diversi tipi di materiali CF a seconda dei loro precursori/materie prime, proprietà e temperature di lavorazione nella fase di trattamento termico. La CF può anche essere classificata in base alle fibre discontinue e continue (l'orientamento delle fibre all'interno della matrice) o alla loro lunghezza. Di conseguenza, molti produttori producono diversi tipi di CF. Ad esempio, i compositi basati su fibre discontinue vengono utilizzati in applicazioni ad alto volume in cui è richiesto che le proprietà siano quasi isotrope. I compositi continui a base di fibre, d'altro canto, sono ampiamente utilizzati in applicazioni a basso volume dove sono richieste proprietà meccaniche più elevate in una o entrambe le direzioni, come travi di supporto, piastre d'impatto e contenimento.

I compositi in fibra di carbonio a base di resina termoplastica presentano cristallizzazione e transizione vetrosa durante la lavorazione, mentre i compositi in fibra di carbonio a base di resina termoindurente presentano reazioni di reticolazione e indurimento. Dal punto di vista della difficoltà del processo, il composito termoplastico in fibra di carbonio è più difficile da infiltrare rispetto al composito in fibra di carbonio termoindurente nel processo di preparazione, ma allo stesso tempo anche i vantaggi sono evidenti: ha un ciclo di stampaggio breve, un buon impatto resistenza, saldabile, può realizzare stampaggio secondario e elevata libertà di progettazione strutturale.

Varie parti realizzate in materiali compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio presentano i vantaggi di bassa densità, elevata resistenza, tenacità relativamente elevata, riciclaggio e riutilizzo e hanno un'ampia gamma di prospettive di applicazione in campo aerospaziale, militare, macchinari di fascia alta, medico e altri campi .

Cinque principali compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio

1. PPS rinforzato con fibra di carbonio
Il PPS è una resina termoplastica semicristallina con eccellenti proprietà meccaniche, resistenza all'erosione chimica, ritardante di fiamma e così via. Anche il metodo di rinforzo della fibra di carbonio ha un effetto molto evidente sulle prestazioni del PPS. Nell'intervallo inferiore al 50%, maggiore è il rapporto volumetrico della fibra di carbonio nel materiale composito termoplastico, maggiori sono le proprietà meccaniche del materiale composito.

2. PI rinforzato con fibra di carbonio
Nei materiali compositi PI rinforzati con fibra di carbonio, la fibra di carbonio è il rinforzo e la principale struttura portante, mentre la matrice di resina svolge principalmente il ruolo di collegare la fibra e trasferire il carico, che può trasferire e resistere al taglio sollecitazione, resistere al carico di trazione e compressione perpendicolare alla fibra e proteggere la fibra da eventuali danni.

Quando il materiale composito è soggetto a una forza esterna, la fibra di carbonio e la resina matrice nel loro insieme, in modo che la deformazione della fibra di carbonio e della resina matrice sia uguale, ma poiché il modulo elastico della fibra di carbonio è molto maggiore di quello del resina matrice, quando la fibra di carbonio e la resina matrice presentano la stessa deformazione, lo stress della fibra di carbonio sarà molto maggiore di quello della resina matrice. Pertanto, la fibra di carbonio sopporta la maggior parte del carico di stress applicato al composito.

Tuttavia, la superficie della fibra di carbonio è liscia e inerte, l'area superficiale specifica è piccola, il bordo degli atomi di carbonio attivo, l'energia superficiale è bassa e l'infiltrazione della matrice PI e l'adesione dell'interfaccia bifase sono scarse, facili da pulire formano spazi vuoti e difetti sull'interfaccia, la resistenza al taglio dell'interstrato è bassa, con conseguente bassa resistenza del legame dell'interfaccia.

Pertanto, le proprietà del composito PI rinforzato con fibra di carbonio non dipendono solo dalle rispettive proprietà della fibra di carbonio e del PI, ma sono anche strettamente correlate alle proprietà di legame dell'interfaccia tra di loro.

3.
Il nylon PA rinforzato con fibra di carbonio (PA) come comune tecnopolimeri termoplastico, ha più di mezzo secolo di sviluppo, è il più utilizzato nei tecnopolimeri, i suoi prodotti hanno svolto un ruolo importante nel settore automobilistico, dei macchinari, petrolchimico, tessile, trasporti, edilizia, elettronica, metallurgia e altri settori industriali.

Il nylon (PA) stesso ha prestazioni eccellenti, ma presenta anche alcuni difetti, come un elevato assorbimento di umidità, scarsa stabilità dimensionale dei prodotti, resistenza e durezza come il metallo, ecc., che in una certa misura ne influenzano il valore applicativo. Per superare questi difetti è possibile utilizzare un rinforzo continuo in fibra di carbonio per migliorarne le prestazioni. Il nylon rinforzato con fibra di carbonio, un materiale composito, incarna pienamente i vantaggi prestazionali del rinforzo e della matrice e la resistenza e la rigidità sono significativamente superiori a quelle del nylon non rinforzato. PA66-NA-LCF40 di Xiamen LFT ha aumentato di dieci volte la resistenza alla trazione della resina PA66 pura. In ambienti ad alta temperatura, questo materiale composito presenta un creep minore, una buona stabilità dimensionale e una migliore resistenza all'usura.

4. Materiale composito in polietere etere chetone (PEEK) rinforzato con fibra di carbonio
Il composito PEEK rinforzato con fibra di carbonio è un tipo di materiale composito con speciale polietere etere chetone (PEEK) in plastica tecnica come matrice di resina in fase continua e fibra di carbonio (CF) come rinforzo in fase dispersa. Attualmente, i compositi termoplastici continui rinforzati con fibra di carbonio sono utilizzati principalmente nei settori aerospaziale, satellitare, militare e altri.

5. Il materiale composito CF/PEI
PEI è un tipo di polimero amorfo ad alte prestazioni con eccellenti proprietà meccaniche, isolamento elettrico, resistenza alle radiazioni, resistenza alle alte e basse temperature e resistenza all'usura. I compositi CF/PEI con diversi orientamenti CF hanno proprietà di attrito, modulo di trazione, tenacità e deformazione diversi. Attraverso il processo di modifica, l'interfaccia tra matrice CF e PEI può essere migliorata, in modo che il numero di fibre estratte quando il materiale si rompe sia notevolmente ridotto e la resistenza alla trazione, la resistenza allo snervamento, il modulo elastico e il coefficiente elastico di CF/PEI compositi sono migliorati.