Chi ha scoperto la fibra di carbonio? Una storia verificata

La fibra di carbonio non è stata inventata in un unico passaggio. A Joseph Swan viene comunemente attribuito il merito di aver realizzato uno dei primi filamenti di carbonio intorno al 1860, mentre Thomas Edison commercializzò i filamenti di cellulosa carbonizzata nel 1879. Roger Bacon presentò le prime fibre di carbonio ad alte prestazioni nel 1958. Akio Shindo sviluppò poi nel 1961 il processo a base di PAN su cui si fonda la maggior parte della fibra di carbonio prodotta oggi.

Questa distinzione è importante. Swan ed Edison realizzarono filamenti di carbonio in grado di emettere luce all’interno delle lampadine. Bacon dimostrò le potenzialità meccaniche dei filamenti di grafite quasi perfetti. Shindo e i ricercatori che lo seguirono individuarono metodi pratici per trasformare i precursori polimerici in fibre di rinforzo resistenti e continue.

Chi ha scoperto la fibra di carbonio? La risposta breve

Se per “fibra di carbonio” si intende il primo filamento di carbonio sintetico, la risposta è Joseph Swan. Se invece si intende la prima fibra di carbonio ad alte prestazioni, la risposta è Roger Bacon. Se invece si intende la fibra a base di PAN utilizzata nella maggior parte dei moderni polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), Akio Shindo e il Royal Aircraft Establishment britannico hanno avuto un ruolo centrale nel suo sviluppo.

Perché fonti diverse indicano inventori diversi

Il disaccordo deriva dalla definizione stessa di fibra di carbonio, non solo dai dati storici.

Un filamento interamente in carbonio destinato all'uso in una lampada è chimicamente classificabile come fibra di carbonio. Tuttavia, non possiede le prestazioni meccaniche che ci si aspetta da un rinforzo strutturale. Nell'ingegneria moderna, il termine “fibra di carbonio” è solitamente utilizzato per indicare fibre continue con elevata resistenza alla trazione o rigidità, in grado di rinforzare una matrice di resina.

Fibra di carbonio e un composito in fibra di carbonio rifinito Si tratta inoltre di materiali diversi. La fibra di carbonio costituisce il rinforzo. Il CFRP combina tali fibre con una matrice polimerica, spesso epossidica. Le fibre sopportano gran parte del carico di trazione; la matrice le lega tra loro, trasferisce il carico da una fibra all’altra e conferisce al componente la sua forma. Nessun singolo inventore ha creato l’intero sistema del materiale.

Joseph Swan e Thomas Edison: l'era dei filamenti di carbonio

Gli esperimenti di Joseph Swan con la carta carbonizzata sono generalmente fatti risalire al 1860 circa. Il suo obiettivo era realizzare un filamento per lampade a incandescenza in grado di condurre elettricità e resistere al calore nel vuoto. Il materiale utilizzato era il carbonio, ma non era destinato a rinforzare un componente strutturale.

Thomas Edison si occupò dello stesso problema relativo all’illuminazione alla fine degli anni ’70 del XIX secolo. L’American Chemical Society sottolinea che Edison modellò fili di cotone o scaglie di bambù nella forma richiesta e li sottopose a cottura ad alta temperatura. La carbonizzazione eliminava gli elementi non carboniosi, preservando al contempo la forma del filamento. A Edison potrebbe quindi essere attribuito il merito di aver realizzato la prima fibra di carbonio commerciale, anche se il suo scopo era di natura elettrica piuttosto che strutturale.

Questi filamenti per lampade furono importanti precursori. Dimostrarono che era possibile formare prima un materiale a base di cellulosa e convertirlo successivamente in carbonio. Quella sequenza “da precursore a carbonio” fa ancora parte del processo di produzione della fibra di carbonio, sebbene oggi le materie prime, i controlli, i forni, il trattamento superficiale e gli obiettivi prestazionali siano di gran lunga più avanzati.

Roger Bacon e le prime fibre di carbonio ad alte prestazioni

La scoperta compiuta da Roger Bacon nel 1958 presso il Parma Technical Center della Union Carbide ha dato il via all’era moderna delle prestazioni elevate. Mentre studiava la grafite sottoposta ad alte temperature e pressioni in un arco di carbonio, Bacon individuò lunghi filamenti di grafite in un deposito solido. Erano sottili, flessibili e, a parità di peso, molto più resistenti e rigidi rispetto alle precedenti fibre di carbonio disponibili in commercio.

Secondo il Società Chimica Americana, I filamenti di Bacon raggiungevano una resistenza alla trazione di circa 20 GPa e un modulo di Young di circa 700 GPa. Tali valori si riferivano a filamenti eccezionali ottenuti in laboratorio, non a fibre producibili in modo economico. Bacon stimò che, all’epoca, la loro produzione costasse circa $10 milioni per libbra. La scoperta ha dimostrato il potenziale meccanico della grafite fibrosa, ma l’industria aveva ancora bisogno di un processo scalabile.

Bacon non ha realizzato questi filamenti a partire dal PAN. Si tratta di un errore storico molto diffuso. Il suo brevetto statunitense n. 2.957.756 descrive la grafite filamentosa prodotta in un arco elettrico. La fibra di carbonio a base di PAN è stata ottenuta attraverso una linea di ricerca distinta.

Dal rayon alla fibra commerciale ad alto modulo

I ricercatori della Union Carbide lavorarono anche con il rayon, un precursore della cellulosa rigenerata. Nel 1959, Curry Ford e Charles Mitchell brevettarono un processo che prevedeva il trattamento termico delle fibre e dei tessuti di rayon a temperature fino a 3.000 gradi Celsius. Il materiale così ottenuto trovò impiego in applicazioni composite avanzate all’inizio degli anni ’60.

La fibra a base di rayon risultava comunque inferiore ai whiskers di grafite di Bacon in termini di rigidità. Nel 1964, Bacon e Wesley Schalamon sottoposero un filato di carbonio a trazione mentre lo riscaldavano a una temperatura superiore ai 2.800 gradi Celsius. L’allungamento ha allineato gli strati di grafite in modo più preciso rispetto all’asse della fibra, aumentando di circa dieci volte il modulo di Young. La Union Carbide commercializzò le fibre ottenute con questo metodo con il nome di Thornel.

Questo aspetto della storia è importante perché collega una scoperta di laboratorio a un prodotto commerciale utilizzabile. Non fu però questo il processo che avrebbe dominato il mercato globale delle fibre strutturali.

Akio Shindo e il processo PAN utilizzato oggi

Nel 1961, Akio Shindo, dell’Istituto governativo di ricerca industriale di Osaka (GIRI), presentò una fibra di carbonio ad alta resistenza e ad alto modulo di elasticità ottenuta dal poliacrilonitrile. L’American Chemical Society riporta un modulo di elasticità superiore a 140 GPa, circa tre volte quello delle fibre a base di rayon allora disponibili. Nel 1964 i ricercatori giapponesi portarono il processo alla fase di produzione pilota.

Nel Regno Unito, nel 1964, William Watt e i suoi colleghi del Royal Aircraft Establishment svilupparono una fibra PAN dalle prestazioni ancora superiori. Alcune aziende britanniche acquisirono la licenza per la produzione commerciale di questa tecnologia. Successivamente, Toray Industries migliorò la qualità del precursore PAN e, nel 1970, siglò un accordo di collaborazione tecnologica con Union Carbide.

Il PAN ha acquisito una posizione dominante perché offriva un ottimo equilibrio tra disponibilità, lavorabilità, resa in carbonio, resistenza alla trazione e uniformità. Secondo la SAMPE, circa il 92% dell’attuale produzione di fibra di carbonio è a base di PAN. La fibra derivata dalla pece rimane importante nei casi in cui il modulo di elasticità o la conduttività termica molto elevati giustifichino il suo costo più elevato.

Come un precursore PAN si trasforma in fibra di carbonio

La moderna produzione basata sul PAN segue la stessa sequenza scientifica di massima sviluppata in quel periodo:

1. Filatura: Un produttore trasforma il polimero PAN in filamenti precursori sottili e li trafila per orientare le catene molecolari.
2. Stabilizzazione: Il riscaldamento controllato in presenza di aria trasforma il polimero in una struttura a scala termicamente stabile.
3. Carbonizzazione: Il trattamento ad alta temperatura in atmosfera inerte elimina la maggior parte degli atomi non carboniosi.
4. Trattamento opzionale a temperatura più elevata: Un ulteriore trattamento termico può aumentare il modulo di elasticità migliorando l'ordine strutturale, solitamente a scapito di altre proprietà.
5. Trattamento superficiale e apprettatura: La superficie della fibra viene preparata e rivestita per migliorarne la maneggevolezza e l'adesione al sistema di resina previsto.

La storia spiega perché la scelta del precursore continui ad avere importanza nel prodotto finito. Il PAN, il rayon e la pece non producono fibre intercambiabili. Anche le condizioni del trattamento termico influiscono sulla resistenza alla trazione, sul modulo di elasticità, sulla conducibilità termica e sul costo. Un progettista, quindi, sceglie un tipo di fibra e un sistema di laminato in funzione di un caso di carico specifico, non semplicemente in base alla dicitura “fibra di carbonio”.”

Quando la fibra di carbonio è diventata un materiale strutturale?

La fibra di carbonio è diventata un rinforzo strutturale di uso pratico negli anni '60. Il sostegno dell'Aeronautica Militare degli Stati Uniti ha contribuito allo sviluppo delle fibre a base di rayon per ugelli di razzi, scudi termici, componenti di missili e strutture aeronautiche. La tecnologia PAN in Giappone e nel Regno Unito ha presto permesso di produrre fibre con prestazioni e potenzialità produttive migliori.

L'adozione commerciale si è ampliata negli anni '70 grazie al miglioramento della qualità delle fibre e all'aumento dei volumi di produzione. Il settore aerospaziale è rimasto uno dei primi mercati di riferimento, poiché la riduzione della massa poteva giustificare i costi del materiale e della lavorazione. Successivamente, gli articoli sportivi e gli sport motoristici hanno offerto ai compositi in carbonio applicazioni di consumo di grande visibilità. La McLaren MP4/1, presentata nel 1981, è comunemente considerata la prima monoscocca in composito di fibra di carbonio ad aver gareggiato in Formula 1, ma la Formula 1 non ha inventato la fibra di carbonio.

Cosa comporta questa storia per gli acquirenti di fibra di carbonio

“La ”fibra di carbonio” è una famiglia di materiali, non una singola specifica. Due laminati intrecciati di colore nero possono differire per grado della fibra, dimensione dei filamenti, trama, resina, orientamento delle fibre, volume delle fibre, ciclo di polimerizzazione, contenuto di vuoti e finitura superficiale. Tali variabili influenzano la rigidità, il comportamento agli urti, i limiti di temperatura, la stabilità dimensionale, l’aspetto e il prezzo.

In un progetto di approvvigionamento, è necessario definire il componente prima di scegliere il processo. Tra i dati utili figurano la direzione del carico, la deflessione ammissibile, la temperatura di esercizio, il rischio di impatto, il peso target, i requisiti superficiali, il volume annuale, i criteri di ispezione e le interfacce di accoppiamento. Una copertura estetica e una staffa portante possono sembrare simili, ma richiedono sistemi di materiali e controlli di qualità diversi.

Se stai valutando un componente personalizzato in CFRP, inviare il disegno, la richiesta, la quantità prevista e i requisiti prestazionali a un produttore di compositi in carbonio. Ciò fornisce al team di ingegneri un contesto sufficiente per discutere dell'architettura in fibra e delle opzioni di stampaggio, anziché basarsi esclusivamente sull'aspetto estetico.

Domande frequenti

La fibra di carbonio è stata inventata nel 1860 o nel 1958?

Entrambe le date si riferiscono a tappe fondamentali diverse. Intorno al 1860, Joseph Swan realizzò uno dei primi filamenti di carbonio per l’illuminazione. Nel 1958, Roger Bacon presentò le prime fibre di grafite ad alte prestazioni. La scoperta del 1958 rappresenta il punto di partenza più appropriato per il Storia della fibra di carbonio strutturale.

È stato Thomas Edison a inventare la fibra di carbonio?

Nel 1879 Edison realizzò e commercializzò filamenti per lampade in cellulosa carbonizzata. Secondo l’American Chemical Society, potrebbe essere stato lui a creare la prima fibra di carbonio commerciale. Tuttavia, non inventò il materiale di rinforzo ad alte prestazioni utilizzato nelle moderne strutture in CFRP.

È stato Roger Bacon a inventare la fibra di carbonio a base di PAN?

No. Nel 1958 Bacon scoprì dei whiskers di grafite ad alte prestazioni in un arco di carbonio e in seguito contribuì allo sviluppo della fibra di rayon ad alto modulo. Nel 1961 Akio Shindo dimostrò in Giappone l'efficacia di un processo basato sul PAN. Nel 1964 William Watt e il Royal Aircraft Establishment migliorarono le prestazioni della fibra di PAN.

Chi ha inventato la fibra di carbonio per la Formula 1?

Nessuna scuderia di Formula 1 ha inventato la fibra in sé. La McLaren ha introdotto nel 1981 la monoscocca in composito di carbonio della MP4/1, collaborando con Hercules Aerospace alla realizzazione della struttura in composito. Si è trattato di una delle principali applicazioni nel mondo dell’automobilismo della tecnologia esistente relativa alla fibra di carbonio.

Qual è la differenza tra fibra di carbonio e CFRP?

La fibra di carbonio è il filamento di rinforzo. Il CFRP è un materiale composito in cui le fibre di carbonio sono incorporate in una matrice polimerica, solitamente epossidica. Il tipo e l’orientamento delle fibre determinano in gran parte la rigidità e la resistenza direzionali, mentre la matrice lega le fibre, trasferisce il carico e definisce la forma del componente.

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Revisione tecnica a cura di Hank, Product Manager