Włókna węglowe: czym są i co je wyróżnia?
Włókna węglowe są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle motoryzacyjnym. Co to za materiały i czym się wyróżniają?
Kompozyty zbrojone włóknem węglowym, czyli Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) – bo tak brzmi prawidłowa nazwa materiałów określanych skrótowo słowem carbon – to materiały stworzone z myślą o przemyśle lotniczym i kosmicznym. Ich podstawową zaletą jest wielka wytrzymałość przy małej masie. Włókno węglowe ma wytrzymałość na rozciąganie ponad czterokrotnie większą od najlepszej stali, jest jednak bardzo giętkie, więc dla zapewnienia wymaganej sztywności łączy się je z twardymi żywicami syntetycznymi, na przykład epoksydowymi. Włókna węglowe, a właściwie wykonana z nich wielowarstwowa tkanina, pełnią wówczas rolę zbrojenia, a spajająca je żywica nadaje kompozytowym elementom pożądany, trwały kształt.
Elementy kompozytowe wykonuje się w foremnikach, stanowiących negatyw kształtu wytwarzanego przedmiotu, z użyciem jednego z kilku podstawowych sposobów. Najprostszy to laminowanie, polegające na układaniu kolejnych warstw tkaniny (węglowej, kevlarowej, szklanej itp.) i ręcznym przesycaniu ich żywicą zmieszaną z utwardzaczem. Wadą tej metody jest ograniczenie czasem twardnienia żywicy, powodujące pośpiech sprzyjający błędom wykonania.
Drugi sposób to wykorzystanie tzw. prepregów (preimpregnatów), czyli wielu warstw tkaniny wstępnie przesyconych żywicą. Trzecia metoda, zwana RTM (Resin Transfer Molding) polega na ciśnieniowym wypełnianiu żywicą foremnika zwierającego uprzednio ułożoną tkaninę. I wreszcie czwarty sposób, C-SMC (Carbon Fiber Reinforced Sheet Molding Compound), to wtryskiwanie żywicy zmieszanej z drobno pociętymi włóknami do formy – prostota i szybkość tej ostatniej jest okupiona niższą wytrzymałością wykonanych z jej użyciem elementów. Dla ostatecznego utwardzenia żywicy elementy wymagają kilku godzin wygrzewania w temperaturze rzędu 180 stopni Celsjusza. Końcowy etap obróbki to szlifowanie krawędzi, wiercenie otworów montażowych itd.
Swój "samochodowy" debiut włókno węglowe miało w 1981 r. w bolidzie F1 McLarena. Producent ten był również pionierem wśród aut drogowych, tworząc w 1994 r. model nazwany na cześć bolidu McLaren F1. Pojazdem, w którym na największą skalę zastosowano kompozyty węglowe, był sportowy Lexus LFA, w którym z materiałów tych wykonano 65 procent struktury nadwozia. W ten sposób udało się uzyskać masę pojazdu o 100 kg mniejszą, niż w przypadku konwencjonalnej struktury metalowej. Główną ramę kabiny wytworzono korzystając z prepregów, tunel wału napędowego, panele podłogi, dach i pokrywę silnika wykonano metodą RTM, a tylne słupki i tylną część podłogi – metodą C-SMC.
ll
