Notiziario dei Compositi - Fibra di carbonio o fibra di vetro?

DI KIM SJÖDAHL*

Non provereste mai a potare delicatamente un bonsai con una motosega, anche se potrebbe risultare un’esperienza divertente per alcuni. Questo principio può sembrare ovvio, ma ci sono molti campi in cui la scelta dello strumento giusto è un ingrediente essenziale per il successo. Nel settore dei materiali compositi, per esempio, i trasformatori richiedono spesso la fibra di carbonio, quando in realtà le alte prestazioni della fibra di vetro sarebbero più che adatte alle loro esigenze

La fibra di carbonio è spesso acclamata come il materiale del futuro. Quando le persone pensano alla fibra di carbonio, immaginano probabilmente automobili sportive con porte che si aprono verticalmente o, se si focalizzano sull’industria, pale di turbine eoliche più lunghe di quanto si potesse immaginare in precedenza. Per la maggior parte dei produttori operanti nel settore dei materiali compositi, la fibra di carbonio è quel materiale che suscita l’interesse dei clienti e dei loro progettisti nei confronti dei fibrorinforzati… prima che si rendano conto che altre soluzioni, come la fibra di vetro, possono essere più adatte al loro scopo. Molte auto sportive, bici da strada e racchette da tennis professionali vengono oggi realizzate con compositi fibrorinforzati al carbonio. Questo perché tali applicazioni richiedono un materiale a bassa densità e con un’elevata resistenza a trazione per massimizzare i vantaggi in termini di peso. Tuttavia, ciò non significa che la fibra di carbonio sia perfetta per ogni applicazione.

In molti casi, quando i progettisti sono alla ricerca di una particolare fibra di carbonio, il materiale che meglio si adatta alle loro esigenze è, invece, la fibra di vetro. Si potrebbe dire, infatti, che la fibra di vetro, la cui ideazione risale a prima della Seconda Guerra Mondiale, sia stata in assoluto il primo materiale ad alte prestazioni. Ha inoltre dimostrato la sua utilità più e più volte, dall’uso nei profili dei telai di porte o finestre ai pali telescopici, dalle applicazioni automobilistiche fino ai giunti ferroviari e ai radome per telecomunicazioni. Se si ha l’impressione che la fibra di vetro sia riservata unicamente alla realizzazione di imbarcazioni, potrebbe essere il momento di dare un’occhiata a tutto ciò che si può invece realizzare con questo eccellente materiale.

La fibra di vetro è caratterizzata da un’ottima resistenza alla trazione, superiore a quella di molti metalli. È anche un ottimo isolante, con un coefficiente di dilatazione termica molto basso, ed è resistente alla corrosione e agli agenti atmosferici. Per esempio, anelli di precompressione (PCR) in composito rinforzato con fibra di vetro vengono utilizzati addirittura per tenere insieme il reattore Iter per la fusione nucleare in stile tokamak, attualmente in fase di sviluppo e frutto della collaborazione di ben 35 paesi. Il reattore a fusione Iter utilizza gli anelli PCR per assorbire la deformazione e la “fatica” dei magneti che tengono in posizione il plasma, il quale si riscalda fino a 150 milioni di gradi centigradi. La fibra di vetro è stata scelta per gli anelli PCR per via delle sue specifiche ed elevate prestazioni meccaniche. La fibra di vetro ha inoltre resistito alla prova del tempo. Infatti, nonostante i suoi primi impieghi risalgano alla Seconda Guerra Mondiale, questo materiale non è stato ancora sostituito con un’alternativa migliore. Ciò è dovuto in gran parte alle sue caratteristiche meccaniche, unite al costo competitivo e al fatto che consente una notevole flessibilità di progettazione.

Con i materiali compositi, è anche importante tener presente che la scelta non è di tipo binario. L’azienda Exel Composites, per esempio, offre un’ampia gamma di prodotti a base di materiali compositi ottenuti tramite pultrusione, o pullwinding (pultrusione preceduta dall’avvolgimento delle fibre), utilizzando fibra di carbonio, fibra di vetro, oppure soluzioni ibride, che prevedono l’uso combinato sia di fibre di carbonio che di vetro. Scegliere il materiale migliore richiede una chiara comprensione di tutti gli aspetti relativi all’applicazione desiderata e alle specifiche del prodotto finale. Quindi, per prima cosa, i tecnici di Exel lavorano insieme al cliente per comprendere appieno tali aspetti. Sulla base delle considerazioni emerse, il fornitore di compositi dovrà utilizzare la sua esperienza in materia di scienza dei materiali per progettare il prodotto composito ideale. Questa prima discussione dovrà anche tener conto dei costi, soprattutto perché la fibra di carbonio ha un prezzo superiore rispetto a quella di vetro. La personalizzazione di un composito potrà poi riguardare una specifica miscela di fibre usata per conferire determinate proprietà, la gestione dell’allineamento delle fibre stesse, la formulazione della resina e così via. Un tubo con fibra di vetro, per esempio, potrebbe richiedere un rinforzo aggiuntivo lungo un lato; in questo caso, le fibre di carbonio potrebbero essere strategicamente incorporate nel tubo insieme alla fibra di vetro in fase di produzione, al fine di creare una robusta struttura ibrida che soddisfi i requisiti di progettazione, considerando al contempo l’ottimizzazione dei costi. In sintesi, poter contare sullo strumento più corretto da utilizzare è importante sia quando si cerca di potare un bonsai sia quando si deve aggiornare un pezzo per un’infrastruttura. Anche se può sembrare più interessante utilizzare la fibra di carbonio, a volte la scelta di un materiale di fascia più bassa può essere l’opzione migliore per il compito da svolgere.

*Vicepresidente senior del segmento Ricerca & Sviluppo e Tecnologie presso Exel Composites

Fibre di vetro e fibre di carbonio “vis-à-vis”