Aluminium vs włókno węglowe – porównanie materiałów

Włókno węglowe vs aluminium

 

Czym zastąpić aluminium aby wykonać lżejszy i wytrzymalszy element?

Czy można wykonać element o 50% lżejszy niż wykonany z aluminium o podobnej lub wyższej wytrzymałości?

O ile aluminium jest powszechnie znane o tyle włókno węglowe jest nowym materiałem dla większości konstruktorów. Artykuł powstał po to aby przybliżyć konstruktorom jakie są różnicę pomiędzy tymi materiałami. Niewątpliwie każdy ma swoje plusy i minusy.

Jakie ?

Tego dowiesz się z tego artykułu czytając porównanie aluminium do włókna włókna węglowego.

Wstęp

Włókno węglowe jest używane wszędzie tam gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość oraz sztywność w stosunku do wagi. Wykorzystuje się je między innymi w lotnictwie, robotach przemysłowych, sporcie samochodowym, sportowych rowerach, produktach do rehabilitacji.

Włókno węglowe ze względu na swój unikalny wygląd, stosowane jest również w produkcji produktów prestiżowych takich jak zegarki, portfele, elementy dekoracyjne itp. Pozwala to wyróżnić produkt na tle konkurencji i nadać mu charakteru produktów klasy premium.

Niełatwo jest porównać właściwości włókna węglowego do stali czy aluminium. Metale w przeciwieństwie do włókna węglowego są z natury jednorodne – izotropowe co oznacza że ich właściwości są takie same w każdym kierunku.

Wytrzymałość i sztywność elementu z włókna węglowego jest rozłożona w tych kierunkach w których są ułożone tkaniny. Daje to z jednej strony duże możliwości do optymalizacji produkcji kompozytów ale jednocześnie z drugiej strony wymaga dużej wiedzy i doświadczenia od producenta kompozytów.

W niniejszym artykule porównaliśmy włókno węglowe do aluminium według 10 najważniejszych właściwości z punktu widzenia konstruktorów:

  1. Sztywność i wytrzymałość materiału w stosunku do jego wagi.
  2. Sztywność i wytrzymałość materiału przy tej samej grubości ścianki elementu.
  3. Waga / gęstość materiału.
  4. Obróbka materiału.
  5. Rozszerzalność cieplna.
  6. Przewodzenie ciepła.
  7. Odporność temperaturowa.
  8. Praca materiału w dłuższym okresie czasu.
  9. Wdrożenie produkcji.
  10. Podsumowanie

Na zakończenia wstępu należy dodać iż w wielu miejscach w artykule zawarta jest informacja o włóknie węglowym i jego parametrach przez co należy należy rozumieć kompozyt z włókna węglowego i żywicy epoksydowej.

 

1. Sztywność i wytrzymałość danego materiału w stosunku do jego wagi

 

Porównując sztywność i wytrzymałości danego materiału w stosunku do jego wagi, na początku niezbędne jest obrazowe nakreślenie tego zagadnienia. Aby to zobrazować, wyobraź sobie że dysponujesz płytką o szerokości 5 cm, długości 50 cm i grubości 2 mm. Na końcu płytki zawieszasz 5 kilowy odważnik. Płytka wygnie się pod wpływem obciążenia a za stopień wygięcia odpowiada sztywność (ang. stiffness). Dla różnych materiałów płytka o tej samej grubości będzie się różnie wyginała. Im sztywniejszy materiał tym płytka ulegnie mniejszemu wygięciu. Po zdjęciu ciężarka, płytka wróci do pierwotnego położenia (odgina się z powrotem).

Teraz wyobraź sobie że pasek materiału obciążasz dużo większym obciążeniem – na tyle dużym że pasek się deformuje (ang. yield) i po zdjęciu obciążenia nie jest w stanie powrócić do pierwotnego kształtu. Za to odpowiada wytrzymałość materiału (ang. strength). Im materiał bardziej wytrzymały tym większe obciążenie jest w stanie przyjąć zanim ulegnie trwałej deformacji.

Oprócz wytrzymałości i sztywności, bardzo ważna dla konstruktorów jest również waga danego elementu, która wynika z gęstości materiału (density).

Sztywności materiału mierzymy przy pomocy skali nazwanej modułem Younga. Sam ten parametr jest jednak niewystarczający do oceny sztywności materiału, bez zwrócenia uwagi na wagę danego elementu.

Dla przykładu budując taką samą ramę rowerową (wymiary, geometria, grubość ścianki) ale wykonaną z dwóch różnych metali: stali i aluminium, stalowa rama będzie 3 razy sztywniejsza niż aluminiowa. Jadnak gdy pod uwagę weźmiemy również wagę elementów okaże się że rama stalowa choć jest 3 razy sztywniejsza niż aluminiowa, to jednocześnie jest 3 razy cięższa.

Te dane są jedynie uproszczonym porównaniem ponieważ w praktyce projektant dobiera do danego materiału odpowiednią geometrię, np. w przypadku projektowania ramy rowerowej z aluminium najczęściej zwiększa się średnicę ramy oraz zwiększa grubość ścianki. Dla ramy rowerowej, sztywność i wytrzymałość jest ściśle związana z geometrią oraz grubością ścianki (2 krotne zwiększenie grubości to około 8-krotne zwiększenie sztywności).

analiza kompozytu z włókna węglowego

Na wytrzymałość detalu wpływa nie tylko materiał i grubość ale również jego geometria

Ilość różnych składowych pozwala się nieco pogubić, z pomocą przychodzi tu stosunek sztywności materiału do jego wagi który pozwala znaleźć wspólny mianownik i uprościć porównanie różnych materiałów.

Stosunek sztywności do wagi (specific modulus) jest najbardziej praktycznym wskaźnikiem sztywności materiału, ponieważ dla większości konstruktorów duże znaczenie ma zarówno sztywność jak i waga elementu.

Włókno węglowe jest materiałem sztywnym i wytrzymałym przy jednocześnie niskiej gęstości własnej – lżejszym niż aluminium i stal, co istotnie przekłada się praktyczne korzyści z jego zastosowania.

Zakładając tą samą wagę elementów włókno węglowe jest 2-5 razy (w zależności do użytego włókna) sztywniejsze niż aluminium oraz stal. Przy specyficznym elementach pracujących tylko w jednym kierunku i użyciu włókna węglowego jednokierunkowego, włókno węglowe jest 5-10 razy sztywniejsze niż stal oraz aluminium (przy tej samej wadze).

Poniższe tabele porównują sztywność i odporność na uszkodzenie dla różnych materiałów o tej samej wadze. Do porównania przyjęto włókno węglowe dwukierunkowe – najczęściej stosowane w kompozytach oraz włókno węglowe jednokierunkowe – wykorzystywane rzadziej, w produktach pracujących głównie jednokierunkowo.

Porównanie sztywności w stosunku do wagi oraz wytrzymałości w stosunku do wagi dla aluminium, stali i włókna węglowego dwukierunkowego:

 
Aluminium
Stal
Włókno węglowe dwukierunkowe – zwykły moduł
Włókno węglowe dwukierunkowe – podwyższony moduł
Włókno węglowe dwukierunkowe – wysoki moduł
Sztywność w stosunku do wagi

(Specific Modulus)
Jednostka: 10 6 m2s-2

26
25
56
83
120
Wytrzymałość na uszkodzenie w stosunku do wagi

(Specific Strength)
Jednostka kN·m/kg

214
254
392
211
126

 

Porównanie sztywności w stosunku do wagi oraz wytrzymałości w stosunku do wagi dla aluminium, stali i włókna węglowego jednokierunkowego:

Aluminium Stal Włókno węglowe jednokierunkowe – zwykły moduł Włókno węglowe jednokierunkowe – podwyższony moduł Włókno węglowe jednokierunkowe – wysoki moduł
Sztywność w stosunku do wagi (Specific Modulus)
Jednostka: 10 6 m2s-2
26 25 113 166 240
Wytrzymałość na uszkodzenie w stosunku do wagi (Specific Strength)
Jednostka kN·m/kg
214 254 785 423 252

Dane podane dla włókna węglowego dotyczą próbki wykonanej infuzją żywicy epoksydowej (stosunek włókna węglowego do żywicy 70/30%) .

Powyższe zestawienie pokazuje jak dużo możliwości daje włókno węglowe i jakie można uzyskać korzyści projektując i wykonując element z włókna węglowego. Tkaniny podwyższonego i wysokiego modułu to specjalne (niestety bardzo drogie) tkaniny o nawet 2 krotnej sztywności standardowego włókna węglowego, używane głównie w sektorze wojskowym i Aerospace.

Aby obrazowo zinterpretować wyniki z tabeli posłużymy się przykładem w którym konstruktor chce wykonać wytrzymałą i lekką płytę o wymiarach 1 m2 i wadze maksymalnie 10 kg. Przy wyborze rozważa aluminium, stal i włókno węglowe.

Zakładając limit wagi 10 kg, konstruktor ma do wyboru:

  • Płytę o grubości około 1.5 mm wykonaną z stali.
  • Płytę o grubości około 4 mm wykonaną z aluminium.
  • Płytę o grubości około 7 mm wykonaną z włókna węglowego.

Włókno węglowe ma 2 ogromne zalety.

Jest sztywniejsze niż aluminium (opisane szerzej w punkcie 2) oraz ma niższą gęstość przez co produkt o tej samej wadzę może być grubszy i korzystać z dodatkowego zwiększania sztywności z samej grubości. W dużym uproszczeniu podwojenie grubości materiału zwiększa sztywność elementu 23 – czyli prawie 8 krotnie. Daje to olbrzymie możliwości w zakresie obniżenia wagi elementu przy zastosowaniu włókna węglowego.

 

2. Sztywność i wytrzymałość danego materiału przy tej samej grubości ścianki elementu

Bardzo często konstruktorzy szukają materiału który pozwoli im wykonać analogiczny do aluminiowego element dopasowany wymiarami – także grubością do już istniejącego urządzenia. Poniżej prezentujemy bezpośrednie porównanie sztywności i wytrzymałości dla elementu o tej samej grubości wykonanego z aluminium, stali i włókna węglowego. Należy pamiętać że zachowując te same wymiary element z włókna węglowego będzie o około 50% lżejszy niż aluminiowy i ponad 5 razy lżejszy niż stalowy o czym więcej w punkcie „3. Waga / gęstość materiału.

Porównanie sztywności oraz wytrzymałości przy tej samej grubości ścianki: dla aluminium, stali i włókna węglowego dwukierunkowego:

Aluminium Stal Włókno węglowe dwukierunkowe – zwykły moduł Włókno węglowe dwukierunkowe – podwyższony moduł Włókno węglowe dwukierunkowe – wysoki moduł
Sztywność (Young’s modulus)Jednostka: GPa 69 200 90,5 132 190
Odporność na uszkodzenie (Tensile Strength – Ultimate Strength) Jednostka kN · m/kg 500 1000 800 368 126

 

Porównanie sztywności oraz wytrzymałości przy tej samej grubości ścianki: dla aluminium, stali i włókna węglowego jednokierunkowego:

Materiał Aluminium Stal Włókno węglowe jednokierunkowe – zwykły moduł Włókno węglowe jednokierunkowe – podwyższony moduł Włókno węglowe jednokierunkowe – wysoki moduł
Sztywność (Young’s modulus)Jednostka: GPa 69 200 181 264 380
Odporność na uszkodzenie(Tensile Strength – Ultimate Strength)Jednostka kN · m/kg 500 1000 1600 736 252

 

Włókno węglowe a aluminium waga

Wagę płyty do nurkowania zastępując aluminium włóknem węglowym zmniejszono o 55% (z 700 do 450 gram).

Element wykonany z standardowego włókna węglowego o tej samej grubości co aluminiowy, będzie o 31 % sztywniejszy niż aluminiowy i jednocześnie o około 50% lżejszy oraz 60% wytrzymalszy na zniszczenie .

Wykorzystując włókno węglowe wysokiego modułu oraz tkaniny jednokierunkowe można osiągnąć 4 krotnie wyższą sztywność niż aluminium przy podobnej lub wyższej wytrzymałości na zniszczenie

Tytułem komentarza należy dodać że w praktyce stal i aluminium mają niższą odporność na uszkodzenie niż podane dane w tabeli. Dzieje się tak ponieważ zanim element metalowy ulegnie całkowitemu zniszczeniu (a ten moment przyjęto w tabeli do obliczenia odporności na uszkodzenie), zacznie się stale odkształcać bez możliwości powrotu do swoich pierwotnych wymiarów.

Punkt w którym zaczyna się takie trwałe wygięcie (ale jeszcze bez zniszczenia materiału) oznacza się miarą Yield strength. Dla odporności na uszkodzenie w powyższych danych przejęto miary Tensile Strength – Ultimate Strength która oznacza odporność materiału na całkowite zniszczenie (pęknięcie).

Dla przykładu wyginając blachę aluminiową zanim próbka ulegnie całkowitemu uszkodzeniu i pęknie, najpierw załamie się podczas wyginania (bez możliwości powrotu do pierwotnego położenia). Dane w tabeli oparte są o całkowite uszkodzenie próbki (pęknięcie) i zakładają że załamanie nie jest jeszcze całkowitym zniszczeniem (co nie do końca jest prawdą). Włókno węglowe pracuje inaczej – przy obciążeniu w którym aluminium wygnie się bez możliwości powrotu, włókno węglowe będzie pracować bardziej sprężyście, wygnie się chwilo, ale po zdjęciu obciążenia wróci do swojej pierwotnej pozycji (sprężynuje). Całkowite zniszczenie elementu z włókna węglowego będzie nagłe i bez zapowiedzi – w przeciwieństwie do aluminium które informuje o tym najpierw poprzez trwałe wygięcie. Należy mieć to na uwadze przy projektowaniu elementów z włókna węglowego, tak aby zachować odpowiednio bezpieczną rezerwę wytrzymałości.

Poniższy film porównuje wytrzymałość na zniszczenie wału napędowego wykonanego z włókna węglowego oraz stali oraz pokazuje inny sposób w jaki materiały ulegają zniszczeniu:

 

Wracając do interpretacji wyników z tabeli, można zauważyć że stosując włókna węglowe wysokiego modułu uzyskujemy zadziwiające parametry sztywności, aczkolwiek jednocześnie im bardziej sztywne włókno węglowe zastosujemy (im wyższy będzie miało moduł) tym jednocześnie mniejsza się jego odporność na uszkodzenie.

Obrazując to inaczej płyta z włókna węglowego ekstremalnie sztywna – wykonana z tkanin wysokiego modułu będzie miała mniejsza odporność na uszkodzenie. Im bardziej ekstremalnie usztywnimy element stosując tkaniny węglowe wysokiego modułu tym jednocześnie przy mniejszym wygięciu element pęknie.

Do dalszych analiz przyjmujemy włókno węglowe standardowe modułu a kompozyty wykonane z tkanin wysokiego modułu przyjmijmy jako pokaz możliwości jakie dają kompozyty węglowe.

Na koniec omawiania właściwości takich jak sztywność i wytrzymałość należy dodać że zarówno dla aluminium jak i włókna węglowego można stosować „hybrydy”nadające inną charakterystykę gotowemu detalowi. W przypadku aluminium będą to stopy z innymi metalami, w przypadku włókna węglowego będzie to zastosowania jednocześnie włókien aramidowym, szklanym, bazaltowym lub vectranowych.

Dosyć powszechne są kompozyty aramidowo (kevlarowo) – węglowe które są jednocześnie sztywne i bardzo odporne na zniszczenie, ale o tym szerzej opiszemy w innym artykule.

3. Waga / gęstość materiału

Waga ma kluczowe znaczenie w wielu produktach. Dla przykładu redukcja wagi ramienia/ chwytaka w robocie przemysłowym który pracuje z prędkością 10 m/s pozwoli zwiększyć jego prędkość pracy i wydłuży jego żywotność. W skali przemysłowej może to oznaczać zwiększenie wydajności linii produkcyjnej i bardzo duże oszczędności.

Innym przykładem może być wózek inwalidzki, zmniejszenie wagi wózka inwalidzkiego ułatwia transport wózka np. do samochodu czy też jego sterowalność. Ekstremalnym przykładem są bolidy Formuly 1 w których zmiana aluminium na włókno węglowego pozwoliła zmniejszyć krytyczną dla tego sportu wagę bolidu.

Ramię robota z włókna węglowego przyśpiesza pracę robota i zwiększa jego żywotność - robot Kuka

Ramię robota Kuka wykonane z włókna węglowego pozwala zwiększyć prędkość jego pracy i jednocześnie poprzez redukcję wagi zmniejszyć obciążenia łożysk i innych zużywających się elementów.

Wracając do porównania aluminium do włókna węglowego, gęstość materiału bezpośrednio przekłada się na jego wagę.

Kompozyt z włókno węglowego ma prawie 2 razy mniejszą gęstości niż aluminium, i ponad 5 krotnie mniejszej gęstości niż stal. Dzięki temu zachowując takie same wymiary elementu , sama zmiana materiału z aluminium na włókno węglowego zmniejszy jego wagę o 50%. W przypadku zmiany materiału z stali na włókno węglowe zmniejszymy wagę 5 krotnie.

Dla obrazowe porównania posłużą nam płyty o grubości 6 mm oraz powierzchni 1 m2.

Jeden metr kwadratowy płyty o grubości 6 milimetrów waży:

  • dla płyty stalowej 47,1 kg
  • dla płyty aluminiowej 16.2 kg
  • dla płyty z włókna węglowego 8.7 kg.

Przy konstruowania produktów i wyborze materiału należy wziąć pod uwagę sztywność i wytrzymałość danego materiału opisaną w punkcie 1 i 2 tego artykułu. W praktyce to o ile można obniżyć wagę elementu zmieniając materiał z aluminiowego na włókno węglowe wymaga wykonania prób i doświadczeń. Każdy element jest indywidualnym przypadkiem o różnej geometrii i wymaganiach. Najczęściej udaje się wykonać elementy o 30-50 % lżejsze na korzyść włókna węglowego.

Produkcja seryjna z włókna węglowego BMW I3

BMW wdrożyło seryjną produkcję kompletnych nadwozi z włókna węglowego dla modelu I3. Produkcja nadwozia z carbonu pozwoliła na obniżenie wagi auta o 300 kg. Rocznie produkowanych jest kilkadziesiąt tysięcy egzemplarzy. Zainteresowanie klientów tym modelem jest kilkukrotnie większe niż zakładało BMW.

W przypadku redukcji wagi z zastosowania włókna węglowego niewątpliwie duże pole do popisu zostawiają produkty w których ważna jest wytrzymałość kierunkowa. Kompozyty w przeciwieństwie do metali nie są materiałami o takiej samej wytrzymałości w każdym kierunku (jednorodnymi). To w trakcie produkcji decyduje się w którym kierunku będą użyte tkaniny (stosując tkaniny jednokierunkowe) i w którym kierunku będzie najwyższa wytrzymałość, odejmując wytrzymałość w miejscach w których nie jest ona potrzebna. Wykorzystując to można uzyskać jeszcze większą redukcję wagi dla elementów wykonanych z włókna węglowego.

4. Obróbka materiału

Włókno węglowe ze względu na swoją niską gęstość jest materiałem łatwo obrabialnym przy pomocy obrabiarki CNC lub ręcznych narzędzi takich jak szlifierka kątowa lub dremel.

Obróbka włókna węglowego, cięcie włókna węglowego

Włókno węglowe jest materiałem łatwo obrabialnym na obrabiarce CNC – na zdjęciu maszynki do tatuaży wykonane z włókna węglowego.

Choć w wysokiej jakości kompozycie z włókna węglowego wykonanym metodą próżniową (infuzja żywicy, prepreg) można robić gwinty to dla często używanych połączeń gwintowanych używa się specjalnych wklejanych insertów.

Łącząc elementy aluminiowe najczęściej używa się spawania, nitowania lub zastosowania insertów, włókno węglowe najczęściej jest klejone i w razie potrzeb wzmacnianie nitami lub insertami. Obecne kleje epoksydowe zapewniają na tyle silne łączenie że pozwalają uzyskać wytrzymałość łączenia zbliżoną do spawania.

Jako ciekawostka niech posłuży fakt że Ferrari przechodzi powoli od spawania aluminium w stronę klejenia klejami epoksydowymi. Obecna wersja Ferrari 458 Italia ma 70 metrów spawów i 8 metrów kleju. Główny inżynier Ferrari Moruzzi przewiduje że w przyszłości nadwozie będzie w większym stopniu klejone niż spawane , Ferrari widzi w tym szansę na używanie innych stopów aluminium które mają lepsze parametry ale nie mogą być spawane.

Porównując klejenie do spawania, klejenie jest prostsze w wdrożeniu niż spawanie (choć podobnie jak w przypadku spawania również wymaga wiedzy i doświadczenia).

W celu obniżenia wagi, klejenie powszechnie stosowane jest w współczesnych samolotach co pozwala obniżyć wagę bezpośrednio przyczyniając się do redukcji wagi i tym samym zużycia paliwa.

Klejenie ma swoje minusy takie jak konieczność przygotowania powierzchni pod klejenie czy czas wiązania kleju. W wielu przypadkach klejone elementy które mogą być narażone na uderzenie (np. wypadek samochodu) są wspierane insertami ze względu na nagłe siły zrywające.

Klejenie będzie coraz częściej wykorzystywane wraz z rozwojem coraz wytrzymalszych klejów oraz budowaniem świadomości jakie korzyści i możliwości daje klejenie.

 

5. Rozszerzalność cieplna

Naturą każdego materiału jest rozszerzalność cieplna.

Skaner 3d z włókna węglowego

Rozszerzalność cieplna mówi o tym jak dany materiał zmienia swoje wymiary pod wpływem temperatury. Włókno węglowe ma praktycznie zerową rozszerzalność cieplną co wykorzystuje się w takich urządzeniach jak skanery 3d.

Praktycznie zerowa rozszerzalność cieplna włókna węglowego jest wykorzystywana w urządzeniach optycznych takich jak skanery 3d.

Konstruktorzy coraz częściej zauważają ogromną przewagę włókna węglowego jaką jest wyjątkowo niska rozszerzalność cieplna w stosunku do tradycyjnych materiałów takich jak stal czy aluminium. Włókno węglowe ma tu pole do popisu szczególnie w elementach o wyjątkowej precyzji pracy, takich jak urządzenia optyczne, skanery 3d, teleskopy oraz innych urządzeniach w których rozszerzalność cieplna musi być maksymalnie niska.

Włókno węglowe (kompozyt włókna węglowego i żywicy epoksydowej) jest materiałem o ponad 6 razy mniejszej rozszerzalności cieplnej niż aluminium i ponad 3 razy mniejszej rozszerzalności cieplnej niż stal.

Poniżej porównanie rozszerzalności cieplnej dla różnych materiałów , miarą jest stosunek cal / stopień Fahrenheit , jednostki niech posłużą tylko jako obrazowe porównanie różnic miedzy materiałami.

Materiał Rozszerzalność cieplna
Aluminium 13
Stal 7
Włókno szklane – kompozyt epoksydowy 7-8
Kevlar/aramid – kompozyt epoksydowy 3
Włókno węglowe – kompozyt epoksydowy 2

6. Przewodzenie ciepła

Włókno węglowe jest materiałem o niskim przewodzeniu ciepła.

Włókno węglowe izolator ciepła

Włókno węglowe jest doskonałym izolatorem – na zdjęciu dolot turbiny wykonany z carbonu.

Przewodzenie ciepła w skrócie jest uzależnione od transferu/przenikania ciepła z regionu o wysokiej temperaturze do regionu a niskiej temperaturze. Materiały o wysokim przewodzeniu ciepła łatwiej transferuje temperaturę niż materiały o niskim przewodzeniu ciepła.

Kompozyt z włókna węglowe i żywicy epoksydowej jest materiałem o 40 krotnie mniejszym przewodzeniu ciepła niż aluminium i 10 krotnie mniejszej niż stal. Można przyjąć że włókno węglowe jest bardzo dobrym izolatorem.

Poniżej tabela porównująca przewodzenie ciepła dla różnych materiałów – w tym włókna węglowego (jednostka W/m*)

Materiał Przewodzenie ciepła
Włókno węglowe – kompozyt epoksydowy 5-7
Stal 50
Aluminium 210

 

7. Odporność temperaturowa

Aluminium jest materiałem z natury odpornym na wysokie temperatury, w czym ma niewątpliwą przewagę nad kompozytem włókna węglowego .

Włókno węglowego i jej odporność na wysokie temperatury zależy od składu kompozytu i sposobu wygrzewania. Nie jest prawdą że kompozyt z włókna węglowego nie może być odporny na wysokie temperatury, ale niestety często tak jest w rzeczywistości. Dzieje się tak na skutek użycia nieodpowiednich materiałów, nieodpowiedniego wygrzewania kompozytu oraz braku wiedzy i doświadczenia w tym zakresie większości firm wykonujących kompozyty.

Aby kompozyt węglowy był odporny na wysokie temperatury wymagane jest zastosowanie materiałów które taką wytrzymałość zapewniają i co bardzo ważne odpowiednie wygrzanie kompozytu w zbliżonych temperaturach – jaką ma wytrzymać kompozyt. Użycie wysokotemperaturowych żywic bez dodatkowego hartowania produktu w piecu nie zapewni wymaganej odporności temperaturowej.

Odpowiednio wygrzane standardowe epoksydowe kompozyty z włókna węglowego wytrzymują 70-100 °C.

Jeżeli wytrzymałość temperaturowa musi być wyższa niż 100 °C , najczęściej używa się prepregów z włókna węglowego które w połączeniu z odpowiednim hartowaniem kompozytu w temperaturach ~ 150 °C, zwiększają wytrzymałość temperaturową nawet do 200 °C. Dla przykładu Prepreg Gurit EP127 ma odporność temperaturową 230 °C.

Jeżeli te temperatury są za niskie, używa się żywic fenolowych, takie kompozyty potrafią wytrzymać chwilowo nawet do 500 °C.

Choć uzyskanie takich odporności temperaturowych dla kompozytów jest możliwe to należy pamiętać że są to specjalistyczne drogie materiały wymagającej hartowania w piecu w wysokich temperaturach oraz wysokiej wiedzy firmy produkującej kompozyty. Przekłada się to na wyższą cenę produkcji kompozytów które muszą być odporne na bardzo wysokie temperatury.

 

 

8. Praca materiału w dłuższym okresie czasu

Przy konstrukcyjnym elementach kompozyt węglowy powinien być wykonany metodą próżniową – infuzją żywicy lub metodą prepregów. Technologie te zapewniają bardzo wysoką żywotność kompozytu węglowego. Kompozyty węglowe wykonane ręcznie metodą „wałka i pędzla” mogą nie mieć tej wytrzymałości.

Włókno węglowe nie koroduje co jest jego przewagą nad aluminum.

Minusem włókna węglowego – kompozytu epoksydowego jest natomiast niewielka odporność na promienie UV, przez co kompozyt narażony na promieniowanie UV musi być zabezpieczony lakierem. Jest to dodatkowy proces który zwiększa kosztowność produkcji.

 

9. Wdrożenie produkcji

Dlaczego włókno węglowe nie jest szeroko wykorzystywane w seryjnej produkcji tak jak aluminium skoro ma tyle zalet i przewag nad tym materiałem?

Najczęściej jest to związane z wyższą ceną elementów z włókna węglowego w porównaniu do aluminiowych odpowiedników.

Elementy z z włókna węglowego są najczęściej droższe niż elementy z aluminium ponieważ włókno węglowe jest drogie a produkcja carbonowych produktów jest dużo bardzej czasochłonna niż aluminiowych.

Z drugiej strony porównując koszt wdrożenia wykonania elementu z aluminium i włókna węglowego, w wielu przypadkach wdrożenie produkcji z włókna węglowego będzie tańsze i co ważniejsze – osiągalne przy małych seriach przy których wdrożenie produkcji z aluminium ze względu na niewielką skalę byłoby nieopłacalne.

Poniżej zamieszczamy film prezentujący produkcję elementów z włókna węglowego w technologii prepreg.

Na koniec warto dodać że wciąć brakuje świadomości jakie korzyści daje produkcja elementów z włókna węglowego i jakie przewagi daje ten materiał w porównaniu do tradycyjnych materiałów takich jak włókno aluminium stal. Mamy nadzieje że tym artykułem przybliżyliśmy Państwu czym włókno węglowe różni się od aluminium i dlaczego warto zastępować aluminium włóknem węglowym.

 

10. Podsumowanie

Mamy nadzieje że artykuł przybliżył właściwości włókna węglowego w porównaniu do aluminium. Liczymy również na odwagę konstruktorów w jego stosowaniu, włókno węglowe ma wiele zalet takich jak niska waga, praktycznie nieistniejąca rozszerzalność cieplna, łatwa obróbka, wysoka sztywność.

 

PRODUCENT WYROBÓW Z CARBONU – WARSZAWA

Jesteśmy producentem elementów z włókna węglowego.
Wykonamy produkcję jednostkową lub seryjną dowolnych elementów z włókna węglowego. Lokalizacja: Wołomin (pod Warszawą).
Skontaktuj się z nami: Dexcraft S.C., info@dexcraft.pl, (22) 226-86-70, 505-555-524.

 

 

Dexcraft

Dexcraft - produkcja kompozytów z włókna węglowego w jakości premium

Data dodania: 23.07.2015, kategorie: Technologia kompozytów

Dodał: artur@dexcraft.pl

nick
twoja opinia
Michał 25.10.2015 05:37

Ciekawi mnie porówanie trwałości włókna węglowego z tytanem i miedzią. Dlaczego nie wykonuje się karoserii z tytanu, miedzi w samochodach sportowych?