Carbon czyli włókno węglowe – poznaj 9 tajemnic tego materiału

Carbon, włókno węglowe, karbon

Carbon inaczej włókno węglowe to materiał wyjątkowy pod każdym względem: niezwykle wytrzymały, lekki, o unikalnym prestiżowym wyglądzie. Materiał ten jest wciąż obwiany pewną dozą tajemnicy – jeszcze 40 lat temu, dostęp do niego miały jedynie ośrodki wojskowe i NASA.

Jakie kryje w sobie tajemnice? Jakie ma właściwości? Dlaczego jest tak wysoko ceniony przez projektantów supersportowych samochodów?

 

HISTORIA WŁÓKNA WĘGLOWEGO

Początki włókna węglowego sięgają roku 1963. W tamtym okresie była to niezwykle droga technologia, zarezerwowana jedynie dla lotnictwa wojskowego i pojazdów budowanych do lotów kosmicznych. Lekkie elementy z włókna węglowego zastępowały ciężkie metalowe elementy, co pozwalało uzyskać lepsze przyśpieszenie oraz większą prędkość.

Pod koniec lat 70-tych Carbonem zainteresowały się zespoły Formuły 1. Materiał ten, jako pierwszy wykorzystał McLaren, budując w 1981 roku MP4/1 – pionierski bolid Formuły 1 wykonany z Carbonu (o całkowitej wadze 585 kg). Obecnie każde nadwozie bolidów Formuły 1 wykonane jest z włókna węglowego.

Koenigsegg CCXR wykonany z włókna węglowego (karbon)

Koenigsegg CCXR wykonany z włókna węglowego (karbon)

McLaren był również pionierem jeżeli chodzi o wdrażanie włókna węglowego do produkcji aut drogowych, przeznaczonych do jazdy po publicznych drogach. W 1994 roku McLaren zaprezentował sportowe auto nazwane na cześć startów w Formule 1 – McLaren F1 (nie mylić z bolidem Formula 1). Sama karoseria tego auta ważyła około 100 kg. Auto to dzierżyło miano najszybszego ulicznego samochodu aż do 2005. Wtedy to rekord McLarena F1 (388,5 km/h) został pobity przez inne auto wykonane z włókna węglowego – Koenigsegg CCR. Model CCXR ostatecznie rozwinął prędkości 395 km/h.

Carbon stopniowo stawał się dostępny cenowo dla firm zajmujących się produkcją kompozytów. Z entuzjazmem wprowadzano włókno węglowe przy produkcji: poszyć samochodów sportowych i motocykli, ram rowerowych, nart, rakiet tenisowych, wędek, masztów itp.

 

JAK ZBUDOWANE JEST WŁÓKNO WĘGLOWE?

Włókno węglowe występuje najczęściej w postaci tkanin uplecionych z pojedynczych włókien. Każde włókno w tkaninie, składa się z 3 tysięcy nitek (tkaniny 3k) do 12 tysięcy nitek (tkaniny 12 k). Pojedyncza nitka włókna węglowego ma grubości 1/10 włosa (0.005-0.010 mm). Nitki z kolei zbudowane są z setek tysięcy atomów węgla.

Grubość nitki tkaniny włókna węglowego (Carbonu) w porównaniu do grubości włosa

Porównanie grubości włosa do grubości pojedynczej nitki włókna węglowego (carbonu).

Aby zrozumieć z jak wielu jednorodnych nitek składają się włókna węglowe, obejrzyj film prezentujący zbliżenie widoku ramy rowerowej aż do przybliżenia ukazującego atomy z których zbudowane jest włókno węglowe.

 

RODZAJE TKANIN WŁÓKNA WĘGLOWEGO

Tkaniny z włókna węglowego występują w różnych splotach, które mają wpływ zarówno na: wygląd, wytrzymałość produktu oraz sam proces produkcyjny.

Carbon - różne rodzaje splotu

Od lewej strony: tkanina jednokierunkowa szyta, tkanina 2/2 (twill), tkanina 1/1 (plain)

 

 

 

 

 

 

 

Tkaniny jednokierunkowe zapewniają bardzo wysoką wytrzymałość wzdłuż włókien, ale za to niewielką wytrzymałość w poprzek włókna. Tkaniny te sprawdzają się bardzo dobrze, gdy detal jest obciążany tylko w 1 wymiarze (wzdłuż włókien). Jeżeli chcemy zachować wysoką wytrzymałość na zginanie w każdym z wymiarów, konieczne jest odpowiedni ułożenie kilku tkanin pod różnym kątem (np. 0, +45, +90, -45). Tkaniny jednokierunkowe nie zapewniają efektywnego wyglądu, dlatego stosuje się je na dalsze niż wierzchnia warstwy kompozytu.

Splot 2/2 (tzw. „twill”) – to splot o włóknach przecinających się pod kątem 90 stopni. Zapewnia zrównoważoną wytrzymałość w różnych kierunkach i atrakcyjny stylistycznie wygląd kompozytu.

Splot 1/1 (tzw. „plain”) – produkt wykonany z tkaniny 1/1 ma inne ułożenie włókien węglowych aniżeli produkt wykonany z tkaniny 2/2. Tkanina węglowa „plain” przeznaczona jest do prostych kształtów z racji małej rozciągliwości tkaniny.

Nieprzesączona tkanina węglowa jest wiotka niczym cerata. Dopiero po przesączeniu żywicą (najlepiej epoksydową), tkanina węglowa tworzy wytrzymały kompozyt. Standardowo produkcja elementu z włókna węglowego polega na ułożeniu tkaniny w formie i przesączeniu jej żywicą (metodą ręczną, worka próżniowego lub infuzji). Przyjmuje się że im mniej żywicy w kompozycie tym większa wytrzymałość elementu przy danej wadze detalu. Dla przykładu kompozyt o wadze 500 gram gdzie 60% wagi (300 gram) to tkaniny a 40% wagi (200 gram) to żywica będzie wytrzymalszy niż kompozyt o wadze 500 gram gdzie 40% wagi (200 gram) to tkaniny a 60% wagi (300 gram) to żywica.

„Najwyższą szkołą jazdy” jest pre-preg czyli tkanina już na etapie produkcji przesączona żywicą zmieszaną z wolno wiążącym utwardzaczem. Pre-pregi przechowuje się w lodówce, aby nie dochodziło do ich utwardzenia w trakcie przechowywania. Plusy pre-pregów to ściśle określony wyjątkowo korzystny stosunek wagi tkaniny (zbrojenia) do żywicy. Minusem niewątpliwie jest cena materiału i wysoki koszt wdrożenia produkcji opartej na pre-pregach.

Włókno węglowe typu pre-preg wkorzystywane jest między innymi w bolidach F1 i supersportowych autach, takich jak Paggani czy Koenigsegg.

Zobacz jak Koenigsegg wykorzystuje carbon (pre-pregi) przy produkcji swoich aut:

 

POZNAJ 9 TAJEMNIC WŁÓKNA WĘGLOWEGO:

1. Carbon jest materiałem nawet 5-cio krotnie wytrzymalszym niż stal (przy tej samej wadze elementu).

2. Ceny włókna węglowego wykorzystywanego w F1 i supersportowych samochodach (tzw. „pre-pregi”) dochodzą nawet do 1000 zł za m2.

3. Włókno węglowe doskonale przewodzi prąd.

Produkt wykonany z włókna węglowego - karbonu

Produkt wykonany z włókna węglowego – karbonu

4. Prawdziwy Carbon jest koloru czarnego i ma lekko mieniący się wygląd który jest „nie do podrobienia”. Kompozyt innego koloru niż czarny (np. zielony lub czerwony), prawdopodobnie jest imitacją Carbonu.

5. Włókno węglowe jest materiałem niezwykle sztywnym o module Younga na poziomie 240 Gpa. Im większa wartość modułu Younga tym sztywniejszy materiał. Włókno węglowe „wysokiego modułu” (o podwyższonej wytrzymałości) posiada wartość modułu Younga na poziomie 500-1 000 GPa. Dla porównania, wartość modułu Younga dla stali wynosi około 200 GPa.

6. Carbon ma niską rozszerzalność cieplną – będzie rozszerzać się lub kurczyć w warunkach wysokiej lub niskiej temperatury w znacznie mniejszym stopniu niż materiały, takie jak stal i aluminium.

7. Carbon ma wyjątkową wytrzymałość na zmęczenie materiału – elementy wykonane z włókna węglowego, pod naciskiem ciągłej eksploatacji są wytrzymałe.

8. Carbon tak jak inne tkaniny kompozytowe, jest materiałem który umożliwia dowolne ustalanie wytrzymałości elementu w każdym z jego obszarów – w dowolnych kierunkach. Dla przykładu rama roweru wykonana z włókna węglowego będzie miała dużo warstw tkaniny w obszarach największego obciążenia, natomiast minimalną ilość warstw tkaniny w obszarach które nie przenoszą obciążeń. Pozwoli to zoptymalizować i tym samym obniżyć wagę elementu do minimum.

9. Włókno węglowe posiada również słabsze strony – jaką jest przeciętna odporność na uderzenie. W przypadku elementów narażonych na uderzenie (np. płyty pod silnikiem aut WRC), stosuje się włókna aramidowe (inaczej kevlarowe).

 

PRODUCENT WYROBÓW Z WŁÓKNA WĘGLOWEGO – WARSZAWA

Jesteśmy producentem elementów z włókna węglowego, mamy ponad 8 lat doświadczenia w każdej dostępnej technologii: prepreg, infuzja żywicy oraz ręczne laminowanie.
Wykonamy produkcję seryjną (minimum 20 sztuk) 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: 26.01.2013, kategorie: Technologia kompozytów

Dodał: artur@dexcraft.pl

nick
twoja opinia
Ania 04.07.2014 11:26

Super artykuł! Ostatnio szukałam informacji o różnych konstrukcjach z włókna węglowego. Oprócz Dreamlinera, bolidów F1, znalazłam informacje o... najdłuższym moście (sic!) z kompozytu węglowego. Znajduje się on w Hiszpanii.

27.05.2013 04:08

"...Tkaniny jednokierunkowe nie zapewniają efektywnego wyglądu, dlatego stosuje się je na dalsze niż wierzchnia warstwy kompozytu..." - włókna jednokierunkowe są efektywne zgodnie z ich przeznaczeniem i właściwościami. Efektowność i odbiór estetyczny produktów finalnych z użyciem takiego materiału wyjściowego są pojęciem względnym. Wg., mnie; tanie imitacje, zdecydowanie popsuły wartość dodaną w materiałach wieloosiowych. Trudniejszym materiałem w designie są jednoosiowe (wzdłużne) ułożenia włókien.