Andrey Stepashkin, Ph.D., ricercatore senior presso il MISIS University Center for Composite Materials. Credito:Sergey Gnuskov/NUST MISIS
Gli scienziati russi hanno proposto una tecnologia per la creazione di materiale composito leggero e durevole. Si basa su una matrice polimerica e fibre di carbonio. Tale materiale può essere utilizzato nella costruzione di aeromobili per creare elementi di un gruppo di alimentazione e strutture dello scafo. Il composito sviluppato può essere facilmente riciclato o smaltito, il che lo rende più rispettoso dell'ambiente rispetto ai suoi analoghi. Lo studio è stato pubblicato in Polimeri .
La fibra di carbonio è un materiale unico costituito quasi interamente da atomi di carbonio. La sua elevata resistenza meccanica a basso peso, la resistenza alle alte temperature e l'eccellente resistenza alla corrosione ne hanno assicurato un'ampia applicazione in settori ad alta tecnologia come missilistica, aviazione, edilizia e medicina. I materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio sono particolarmente richiesti nell'industria aeronautica. Le parti e le strutture realizzate con essi riducono il peso finale dell'aeromobile, e quindi il consumo di carburante, riducendo così i costi di esercizio dell'aeromobile e l'impatto ambientale. Tuttavia, la maggior parte dei compositi in fibra di carbonio odierni sono a base di resina epossidica e altri materiali non fondenti e insolubili che non sono riciclabili.
Gli scienziati della MISIS University hanno creato un nuovo materiale composito basato su polimeri termoplastici ingegnerizzati e fibra di carbonio, che mantiene efficacemente le sue proprietà prestazionali in ambienti aggressivi, come il carburante per aerei, pur essendo facilmente riciclabile.
Come materiale di rinforzo è stata utilizzata la fibra di carbonio di fabbricazione russa. Per la prima volta, per la produzione della matrice è stata utilizzata polvere di polietersulfone al posto della tradizionale resina epossidica. È un polimero termoplastico amorfo con ottime proprietà meccaniche e resistente alle alte temperature, al vapore e ai vari prodotti chimici. È anche importante che il polietersulfone sia riciclabile, a differenza della resina epossidica.
I ricercatori dell'Università MISIS hanno selezionato le migliori condizioni per ottenere un materiale composito e hanno determinato che il contenuto ottimale di fibre di carbonio per i compositi aerodispersi a base di polietersulfone è il 60-70% del peso totale della struttura.
La superficie della fibra di carbonio è stata ulteriormente modificata mediante ossidazione termica, per cui sulla superficie dei filamenti di carbonio si è formato uno strato sottile comprendente un gran numero di gruppi funzionali contenenti ossigeno. Facilita una migliore adesione della fibra di carbonio alla matrice polimerica. Per impregnare la preforma di carbonio, invece della tradizionale impregnazione ad alta pressione del polimero fuso, è stata utilizzata una tecnologia di soluzione:la polvere di polietersulfone è stata prima disciolta con un solvente organico a temperatura ambiente, dopodiché la fibra di carbonio modificata è stata impregnata con il risultante soluzione. I campioni di prova sono stati quindi essiccati a 100°C per quattro ore e la preforma è stata quindi posta in uno stampo dove i pezzi venivano formati sotto pressione a 350°C per 30 minuti.
Di conseguenza, i ricercatori hanno ottenuto una struttura stabile del composito ottenuto e migliorato significativamente le sue proprietà meccaniche e la resistenza alle alte temperature. Allo stesso tempo, come notato dagli autori dello studio, la tecnologia di creazione dei compositi proposta a base di polietersulfone e fibre di carbonio consente di regolare le proprietà del materiale finale in base al grado di riempimento della matrice polimerica con le fibre.
"Parlando delle possibilità dell'applicazione del materiale, dobbiamo guardare al prodotto specifico in cui verranno utilizzati, poiché influisce sulle condizioni di lavoro nella struttura, sui requisiti di resistenza, sulle deformazioni massime consentite. Di conseguenza, il modello di rinforzo cambia e varia anche il grado di riempimento (contenuto di fibre), ma se parliamo, ad esempio, di materiali per la costruzione di aeromobili, il contenuto ottimale di fibre di carbonio sarà più probabile nell'intervallo 60-70% del peso totale di la struttura", spiega un coautore del lavoro, ricercatore senior presso il MISIS University Center for Composite Materials, Ph.D. Andrej Stepashkin. + Esplora ulteriormente
