Le fibre di carbonio sono più resistenti e leggere dell'acciaio, e materiali compositi a base di polimeri rinforzati con fibra di carbonio vengono utilizzati in una gamma in espansione di aerospaziale, settore automobilistico, e altre applicazioni, comprese le sezioni principali del velivolo Boeing 787. È ampiamente creduto, Inoltre, che la tecnologia della fibra di carbonio ha il potenziale per produrre compositi almeno 10 volte più resistenti di quelli in uso oggi.

Un team di ricerca presso il Georgia Institute of Technology ha sviluppato una nuova tecnica che pone una nuova pietra miliare per la forza e il modulo delle fibre di carbonio. Questo approccio alternativo si basa su una tecnica innovativa per la filatura del poliacrilonitrile (PAN), una resina polimerica organica utilizzata per produrre fibre di carbonio.

Il lavoro fa parte di un quadriennio, Progetto da 9,8 milioni di dollari sponsorizzato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per migliorare la resistenza dei materiali in fibra di carbonio. La ricerca è stata riportata di recente sulla rivista Carbonio .

"Utilizzando una tecnica di filatura del gel per trasformare il copolimero di poliacrilonitrile in fibre di carbonio, abbiamo sviluppato fibre di carbonio di nuova generazione che mostrano una combinazione di resistenza e modulo mai vista in precedenza con il metodo convenzionale di filatura in soluzione, "ha detto Satish Kumar, un professore della Georgia Tech School of Materials Science and Engineering che guida il progetto. "Inoltre, il nostro lavoro mostra che l'approccio di filatura del gel fornisce un percorso per miglioramenti ancora maggiori".

Kumar ha spiegato che il modulo di trazione, una misura della rigidità, si riferisce alla forza necessaria per allungare un materiale di una determinata quantità. La resistenza alla trazione esprime quanta forza è necessaria per rompere effettivamente il materiale.

Nella filatura del gel, la soluzione viene prima convertita in gel; questa tecnica lega insieme le catene polimeriche e produce robuste forze intercatena che aumentano la resistenza alla trazione. La filatura del gel aumenta anche l'orientamento direzionale delle fibre, che aumenta anche la forza. Al contrario, nella tradizionale soluzione di filatura, un processo sviluppato più di 60 anni fa, La soluzione di copolimero PAN viene convertita direttamente in una fibra solida senza lo stato di gel intermedio e produce materiale meno robusto.

La fibra di carbonio filata in gel prodotta dal team di Kumar è stata testata a 5,5-5,8 gigapascal (GPa) - una misura del carico di rottura - e aveva un modulo di trazione nell'intervallo 354-375 GPa. Il materiale è stato prodotto su una linea di carbonizzazione continua presso la Georgia Tech, costruita per questo progetto DARPA.

"Questa è la più alta combinazione di resistenza e modulo per qualsiasi fibra continua riportata fino ad oggi, " Kumar ha detto. "E a scartamento ridotto, la resistenza alla trazione della fibra è stata misurata fino a 12,1 GPa, che è il più alto valore di resistenza alla trazione mai riportato per una fibra di carbonio a base di PAN."

Inoltre, Kumar ha notato, la struttura interna di queste fibre di carbonio filate in gel misurate su scala nanometrica ha mostrato meno imperfezioni rispetto alle fibre di carbonio commerciali all'avanguardia, come IM7. Nello specifico, le fibre filate in gel mostrano un grado inferiore di entanglement della catena polimerica rispetto a quelle prodotte dalla filatura in soluzione. Questo numero minore di entanglement deriva dal fatto che la filatura su gel utilizza concentrazioni inferiori di polimero rispetto ai metodi di filatura in soluzione.

Kumar e il suo team convertono la miscela di polimeri filati in gel in fibre di carbonio tramite un processo di trattamento selettivo chiamato pirolisi, in cui il polimero filato viene gradualmente sottoposto sia a calore che a stiramento. Questa tecnica elimina grandi quantità di idrogeno, ossigeno, e azoto dal polimero, lasciando principalmente carbonio che aumenta la forza.

"È importante ricordare che le attuali prestazioni delle fibre di carbonio a base di PAN filate in soluzione sono state raggiunte dopo molti anni di ottimizzazione dei materiali e dei processi, ma finora sono stati condotti studi molto limitati sull'ottimizzazione dei materiali e dei processi sul PAN filato in gel. fibra, " Kumar ha detto. "In futuro, crediamo che l'ottimizzazione dei materiali e dei processi, maggiore circolarità delle fibre, e una maggiore omogeneità della soluzione aumenterà ulteriormente la forza e il modulo del metodo di filatura del gel."