Cosa sono le fibre di carbonio?
Le fibre di carbonio sono unità di carbonio a catena lunga simili alla grafite con una struttura a rete. Le unità di carbonio reticolate a catena lunga si verificano a causa della proprietà di catenazione degli atomi di carbonio, cioè il collegamento di atomi di un elemento simile.
A Thomas Elva Edison viene attribuito il merito di aver creato il primo filamento di carbonio da testare nel filamento elettrico della lampadina utilizzando cotone naturale.
I precursori sono gli elementi grezzi utilizzati nella produzione delle fibre di carbonio.
Come è realizzata la fibra di carbonio?
La maggior parte della fibra di carbonio è prodotta con un processo chiamato poliacrilonitrile o PAN. Nel processo, un foglio di fibra è esposto a un calore così elevato che quasi tutto, tranne il carbonio stesso, viene bruciato.
Passaggi per la produzione di fibre di carbonio normali:
1: Polimerizzazione: per produrre un polimero a catena lunga, il precursore viene polimerizzato.
2: Filatura: Successivamente, il polimero viene filato in fibre lunghe. Vengono comunemente impiegate procedure chimiche e meccaniche.
3: Ossidante: la fibra viene stabilizzata riscaldandola all'aria. Assorbe l'ossigeno dall'aria e subisce un sofisticato processo di riarrangiamento atomico per stabilizzare la fibra.
4: Carbonizzazione: in assenza di ossigeno, il trattamento ad alta temperatura della fibra ossidata e stabilizzata favorisce la perdita di atomi non di carbonio, risultando in una fibra di carbonio strettamente compattata.
5: Trattamento superficiale: le fibre carbonizzate hanno scarse capacità di legame, rendendo difficile la loro fusione con le resine epossidiche per produrre un composito. Per acquisire questa capacità legante, la superficie viene trattata con i prodotti chimici appropriati.
6: Dimensionamento: per protezione, le fibre sono rivestite con resina epossidica, nylon, poliestere e altri materiali. Questo si chiama dimensionamento.
Il foglio grezzo di fibra di carbonio viene quindi fuso insieme ad altri metalli (una parte importante per comprendere la conduttività della fibra di carbonio) e il composto risultante viene trattato e dimensionato utilizzando processi chimici.
Il processo è approfondito e, quindi, costoso.
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La fibra di carbonio è conduttiva da sola?
No, la fibra di carbonio non è troppo conduttiva quando non è combinata con altro, né in termini di conducibilità termica né elettrica.
Quando si tratta di conduttività termica (la capacità di condurre il calore), la fibra di carbonio è nella media. La fibra di carbonio di qualità relativamente alta ha una conduttività termica pari a quella del silicio e anche la fibra di carbonio di fascia alta ha meno conduttività dell'alluminio.
La semplice vecchia fibra di carbonio è leggermente migliore quando si tratta di conduzione elettrica, anche se non è ancora conduttiva come la maggior parte dei metalli. Quando viene utilizzato come conduttore elettrico, è meglio modificare la fibra di carbonio intrecciandola insieme ad altri metalli o creando un allotropo di carbonio più elettricamente conduttivo come il diamante o la grafite.
Come possiamo rendere la fibra di carbonio più conduttiva?
Per aumentare la conduttività elettrica, la fibra di carbonio una volta isolata dovrebbe essere trattata con altri materiali. I migliori composti da combinare con la fibra di carbonio per aumentare la conduttività sono il lattice per la conduttività ionica (attraverso un liquido) e il fumo di silice per la conduttività elettronica (attraverso un solido).
Esistono allotropi del carbonio che conducono il calore molto meglio della fibra di carbonio. -- Il diamante, in particolare, conduce il calore fino a 100 volte più efficacemente della semplice fibra di carbonio. Creare questi allotropi è tutt’altro che facile, ma esistono processi che coinvolgono pressione, calore e altre reazioni chimiche che rendono possibili le trasformazioni. Se la fibra di carbonio viene trattata con questi allotropi di carbonio quando sono pronti, la conduttività termica della fibra di carbonio può aumentare molte volte.
Quindi, la fibra di carbonio è conduttiva? Non tanto allo stato di base, ma può cambiare facilmente con un po’ di scienza.
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La fibra di carbonio è conduttiva rispetto al metallo?
Non da solo, no. Se trattato con altri metalli, però, lo è.
Di per sé, la fibra di carbonio non è un ottimo conduttore di elettricità rispetto al metallo. In effetti, la maggior parte dei metalli conducono l’elettricità circa 1000 volte meglio della semplice fibra di carbonio. Anche se trattata con altri materiali, la fibra di carbonio non è altrettanto efficace del metallo in termini di conduzione elettrica. Metalli come argento, alluminio e rame sono particolarmente bravi a condurre l’elettricità, ancora circa 100 volte più veloci della fibra di carbonio trattata con buoni conduttori di elettricità.
Condurre l’energia termica è una storia diversa. Se realizzata bene e trattata correttamente, la fibra di carbonio è in realtà più conduttiva del calore di un metallo altamente conduttivo come il rame.
Quali sono gli usi della fibra di carbonio conduttiva?
La fibra di carbonio trattata viene utilizzata in articoli di lusso come caschi e valigie che traggono vantaggio dalla leggerezza e dalla resistenza. Ma la conduttività della fibra di carbonio risulta particolarmente efficace negli usi più industriali, come i rivestimenti per container nei progetti di ingegneria e aerospaziali.
La scienza sta ancora lavorando per migliorare la conduttività elettrica della fibra di carbonio. A causa della sua estrema durabilità, resistenza al calore, leggerezza e dimensioni ridotte rispetto a cose come i fili metallici, si prevede che i prodotti in fibra di carbonio verranno utilizzati molto di più come conduttori in futuro.
La fibra di carbonio ha molte qualità sorprendenti. Uno di questi è la sua straordinaria capacità di conduttore termico o elettrico se trattato con altri compositi metallici.
