le Applicazioni per CFRP sono i seguenti:
Aerospaziale engineeringEdit
L’Airbus A350 XWB è costruito per il 52% in CFRP tra cui ala aste e componenti fusoliera, superando il Boeing 787 Dreamliner, per l’aereo con il più alto rapporto di peso per CFRP, che è del 50%. Questo è stato uno dei primi aerei commerciali ad avere longheroni alari realizzati in materiali compositi. L’Airbus A380 è stato uno dei primi aerei di linea commerciali ad avere una scatola alare centrale in CFRP; è il primo ad avere una sezione trasversale dell’ala sagomata senza intoppi invece che le ali essere partizionate in sezioni. Questa sezione trasversale fluida e continua ottimizza l’efficienza aerodinamica. Inoltre, il bordo di uscita, insieme alla paratia posteriore, all’impennaggio e alla fusoliera non pressurizzata sono realizzati in CFRP. Tuttavia, molti ritardi hanno spinto la consegna degli ordini risale a causa di problemi con la fabbricazione di queste parti. Molti aerei che utilizzano CFRP hanno subito ritardi con le date di consegna a causa dei processi relativamente nuovi utilizzati per realizzare componenti CFRP, mentre le strutture metalliche sono state studiate e utilizzate su telai per anni e i processi sono relativamente ben compresi. Un problema ricorrente è il monitoraggio dell’invecchiamento strutturale, per il quale vengono costantemente studiati nuovi metodi, a causa dell’insolita natura multimateriale e anisotropica del CFRP.
Nel 1968 un gruppo ventilatore Hyfil in fibra di carbonio era in servizio sulle Rolls-Royce Conways dei Vickers VC10 gestiti da BOAC.
Progettisti e produttori di aeromobili specializzati Scaled Composites hanno fatto ampio uso di CFRP in tutta la loro gamma di progettazione, tra cui il primo veicolo spaziale privato con equipaggio Spaceship One. CFRP è ampiamente usato nei veicoli micro air (MAVs) a causa della sua elevata resistenza al rapporto peso.
Automotive engineeringEdit
I CFRP sono ampiamente utilizzati nelle corse automobilistiche di fascia alta. L’alto costo della fibra di carbonio è mitigato dall’insuperabile rapporto resistenza / peso del materiale e il peso ridotto è essenziale per le corse automobilistiche ad alte prestazioni. I produttori di auto da corsa hanno anche sviluppato metodi per dare resistenza ai pezzi in fibra di carbonio in una certa direzione, rendendolo forte in una direzione portante, ma debole in direzioni in cui il carico minimo o nullo sarebbe stato posizionato sull’elemento. Al contrario, i produttori hanno sviluppato intrecci omnidirezionali in fibra di carbonio che applicano forza in tutte le direzioni. Questo tipo di assemblaggio in fibra di carbonio è più ampiamente utilizzato nell’assemblaggio del telaio monoscocca “safety cell” di auto da corsa ad alte prestazioni. Il primo telaio monoscocca in fibra di carbonio fu introdotto in Formula Uno dalla McLaren nella stagione 1981. È stato progettato da John Barnard ed è stato ampiamente copiato nelle stagioni successive da altri team di F1 a causa della maggiore rigidità fornita al telaio delle vetture.
Molte supercar negli ultimi decenni hanno incorporato ampiamente il CFRP nella loro produzione, utilizzandolo per il loro telaio monoscocca e altri componenti. Già nel 1971, la Citroën SM offriva ruote in fibra di carbonio leggere opzionali.
L’uso del materiale è stato più facilmente adottato dai produttori a basso volume che lo hanno utilizzato principalmente per la creazione di pannelli di carrozzeria per alcune delle loro auto di fascia alta grazie alla sua maggiore resistenza e al peso ridotto rispetto al polimero rinforzato con vetro utilizzato per la maggior parte dei loro prodotti.
Ingegneria civilemodifica
Il CFRP è diventato un materiale notevole nelle applicazioni di ingegneria strutturale. Studiato in un contesto accademico per quanto riguarda i suoi potenziali benefici in edilizia, si è anche dimostrato conveniente in una serie di applicazioni sul campo rafforzamento calcestruzzo, muratura, acciaio, ghisa, e strutture in legno. Il suo utilizzo nell’industria può essere sia per il retrofitting per rafforzare una struttura esistente o come rinforzo alternativo (o pre-stress) materiale invece di acciaio fin dall’inizio di un progetto.
Il retrofitting è diventato l’uso sempre più dominante del materiale nell’ingegneria civile e le applicazioni includono l’aumento della capacità di carico di vecchie strutture (come i ponti) progettate per tollerare carichi di servizio molto più bassi di quelli attuali, il retrofitting sismico e la riparazione di strutture danneggiate. Retrofitting è popolare in molti casi come il costo di sostituzione della struttura carente può notevolmente superare il costo di rafforzamento utilizzando CFRP.
Applicato a strutture in cemento armato per la flessione, il CFRP ha tipicamente un grande impatto sulla resistenza (raddoppiare o più la resistenza della sezione non è raro), ma solo un moderato aumento della rigidità (forse un aumento del 10%). Questo perché il materiale utilizzato in questa applicazione è in genere molto forte (ad esempio, 3000 MPa resistenza alla trazione, più di 10 volte acciaio dolce) ma non particolarmente rigido (150 a 250 GPa, un po ‘ meno di acciaio, è tipico). Di conseguenza, vengono utilizzate solo piccole aree della sezione trasversale del materiale. Piccole aree di materiale di rigidità molto elevata ma moderata aumenteranno significativamente la resistenza, ma non la rigidità.
CFRP può anche essere applicato per migliorare la resistenza al taglio del cemento armato avvolgendo tessuti o fibre attorno alla sezione da rinforzare. Avvolgere le sezioni (come ponti o colonne di edifici) può anche migliorare la duttilità della sezione, aumentando notevolmente la resistenza al collasso sotto carico sismico. Tale “retrofit sismico” è la principale applicazione nelle aree a rischio sismico, poiché è molto più economico dei metodi alternativi.
Se una colonna è circolare (o quasi) un aumento della capacità assiale si ottiene anche avvolgendo. In questa applicazione, il confinamento dell’involucro di CFRP migliora la resistenza alla compressione del calcestruzzo. Tuttavia, sebbene si ottengano grandi aumenti nel carico di collasso finale, il calcestruzzo si crepa solo con un carico leggermente migliorato, il che significa che questa applicazione viene utilizzata solo occasionalmente. Specialista ultra-alto modulo CFRP (con modulo di trazione di 420 GPa o più) è uno dei pochi metodi pratici per rafforzare travi in ghisa. Nell’uso tipico, è legato alla flangia di trazione della sezione, sia aumentando la rigidità della sezione che abbassando l’asse neutro, riducendo così notevolmente la massima tensione di trazione nella ghisa.
Negli Stati Uniti, i tubi per cilindri in calcestruzzo precompresso (PCCP) rappresentano la stragrande maggioranza delle reti di trasmissione dell’acqua. A causa dei loro grandi diametri, i guasti del PCCP sono solitamente catastrofici e colpiscono grandi popolazioni. Circa 19.000 miglia (31.000 km) di PCCP sono state installate tra il 1940 e il 2006. La corrosione sotto forma di infragilimento da idrogeno è stata incolpata per il graduale deterioramento dei fili di pre-stress in molte linee PCCP. Negli ultimi dieci anni, i CFRP sono stati utilizzati per allineare internamente il PCCP, risultando in un sistema di rafforzamento completamente strutturale. All’interno di una linea PCCP, il rivestimento in CFRP funge da barriera che controlla il livello di deformazione sperimentato dal cilindro in acciaio nel tubo ospite. Il rivestimento composito permette al cilindro d’acciaio di eseguire all’interno della sua gamma elastica, per assicurare la prestazione a lungo termine della conduttura è mantenuta. Le progettazioni della fodera del CFRP sono basate sulla compatibilità di sforzo fra la fodera ed il tubo ospite.
Il CFRP è un materiale più costoso rispetto ai suoi omologhi nel settore delle costruzioni, il polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP) e il polimero rinforzato con fibra aramidica (AFRP), sebbene il CFRP sia, in generale, considerato come avente proprietà superiori. Molte ricerche continuano ad essere fatte sull’utilizzo di CFRP sia per il retrofitting che come alternativa all’acciaio come materiale di rinforzo o pre-stress. Il costo rimane un problema e rimangono ancora questioni di durata a lungo termine. Alcuni sono preoccupati per la natura fragile del CFRP, in contrasto con la duttilità dell’acciaio. Sebbene i codici di progettazione siano stati elaborati da istituzioni come l’American Concrete Institute, rimane qualche esitazione tra la comunità ingegneristica sull’implementazione di questi materiali alternativi. In parte, ciò è dovuto alla mancanza di standardizzazione e alla natura proprietaria delle combinazioni di fibre e resine sul mercato.
Microelettrodi in fibra di carbonioedit
Le fibre di carbonio vengono utilizzate per la fabbricazione di microelettrodi in fibra di carbonio. In questa applicazione tipicamente una singola fibra di carbonio con diametro di 5-7 µm è sigillata in un capillare di vetro. Alla punta il capillare è sigillato con resina epossidica e lucidato per rendere microelettrodo disco in fibra di carbonio o la fibra viene tagliata ad una lunghezza di 75-150 µm per rendere elettrodo cilindro in fibra di carbonio. I microelettrodi in fibra di carbonio sono utilizzati in amperometria o in voltammetria ciclica a scansione rapida per il rilevamento di segnali biochimici.
Sport goodsEdit
CFRP è ora ampiamente utilizzato in attrezzature sportive come squash, tennis, e badminton racchette, sport aquilone longheroni, di alta qualità, frecce, bastoni da hockey, canne da pesca, tavole da surf, di fascia alta pinne per nuoto, il canottaggio e conchiglie. Gli atleti amputati come Jonnie Peacock usano lame in fibra di carbonio per la corsa. Viene utilizzato come piastra di gambo in alcune scarpe da basket per mantenere stabile il piede, di solito correndo la lunghezza della scarpa appena sopra la suola e lasciata esposta in alcune aree, di solito nell’arco.
Polemicamente, nel 2006, mazze da cricket con un sottile strato di fibra di carbonio sul retro sono stati introdotti e utilizzati in partite competitive da giocatori di alto profilo, tra cui Ricky Ponting e Michael Hussey. La fibra di carbonio è stato affermato di aumentare semplicemente la durata dei pipistrelli, ma è stato vietato da tutte le partite di prima classe dallaC in 2007.
Un telaio per bicicletta in CFRP pesa meno di uno in acciaio, alluminio o titanio con la stessa resistenza. Il tipo e l’orientamento del tessuto in fibra di carbonio possono essere progettati per massimizzare la rigidità nelle direzioni richieste. I telai possono essere adattati per affrontare diversi stili di guida: gli eventi sprint richiedono telai più rigidi mentre gli eventi endurance possono richiedere telai più flessibili per il comfort del pilota per periodi più lunghi. La varietà di forme in cui può essere integrato ha ulteriormente aumentato la rigidità e ha permesso anche sezioni di tubi aerodinamici. Forcelle CFRP tra cui corone forcella sospensione e sterzo, manubrio, reggisella, e bracci della manovella stanno diventando più comuni sulle biciclette medie e più costosi. I cerchi in CFRP rimangono costosi ma la loro stabilità rispetto all’alluminio riduce la necessità di ri-allineare una ruota e la massa ridotta riduce il momento di inerzia della ruota. I raggi CFRP sono rari e la maggior parte delle sale montate in carbonio conserva i tradizionali raggi in acciaio inossidabile. CFRP appare sempre più anche in altri componenti come parti del deragliatore, leve e corpi del freno e del cambio, supporti per pignoni a cassetta, collegamenti delle sospensioni, rotori dei freni a disco, pedali, suole delle scarpe e binari della sella. Anche se forte e leggero, impatto, over-torquing, o installazione impropria di componenti CFRP ha provocato fessurazioni e guasti, che possono essere difficili o impossibili da riparare.
Altre applicazionimodifica
La resistenza al fuoco dei polimeri e dei compositi termo-impostati è notevolmente migliorata se un sottile strato di fibre di carbonio viene modellato vicino alla superficie perché uno strato denso e compatto di fibre di carbonio riflette efficacemente il calore.
Il CFRP viene utilizzato in un numero crescente di prodotti di fascia alta che richiedono rigidità e peso ridotto, tra cui:
- Strumenti musicali, inclusi archi di violino; plettri per chitarra, colli (canne in fibra di carbonio) e pick-guard; gusci di tamburo; cornamuse; e interi strumenti musicali come violoncelli, viole e violini in fibra di carbonio di Luis e Clark; chitarre acustiche e ukulele di Blackbird Guitars; anche componenti audio come giradischi e altoparlanti.
- Le armi da fuoco lo usano per sostituire alcuni componenti in metallo, legno e fibra di vetro, ma molte delle parti interne sono ancora limitate alle leghe metalliche poiché le plastiche rinforzate attuali non sono adatte.
- Corpi drone ad alte prestazioni e altri componenti di veicoli e aeromobili radiocomandati come pale del rotore dell’elicottero.
- Pali leggeri come: gambe del treppiede, pali della tenda, canne da pesca, stecche da biliardo, bastoni da passeggio e pali ad alta portata come per la pulizia delle finestre.
- Odontoiatria, messaggi in fibra di carbonio sono utilizzati nel ripristino canalare denti trattati.
- Carrelli ferroviari inveiti per il servizio passeggeri. Ciò riduce il peso fino al 50% rispetto ai carrelli metallici, il che contribuisce al risparmio energetico.
- Coperture del computer portatile e altri casi ad alte prestazioni.
- Tessuti di carbonio.
- Tiro con l’arco, in fibra di carbonio frecce e bulloni, magazzino, e ferroviario.
- Come filamento per il processo di stampa 3D fused deposition modeling, la plastica rinforzata con fibra di carbonio (filamento di poliammide-carbonio) viene utilizzata per la produzione di utensili e parti robusti ma leggeri grazie alla sua elevata resistenza e alla lunghezza dello strappo.
- Riabilitazione del tubo di teleriscaldamento, utilizzando il metodo CIPP.