Drukuj

Zrozumieć włókno węglowe

W świecie przemysłu podstawowy podział na materiały dekoracyjne i techniczne może wydawać się zaskakujący. Jednak prawda jest taka, że pojawienie się oddzielnej kategorii dla tkanin węglowych o innych priorytetach niż wytrzymałość, świadczy o tym, że materiał ten był na tyle szokujący, że wywalczył sobie wyjątkowe miejsce w kulturze. Stało się to za sprawą ekstremalnych sportów motorowych, które jako pierwsze zaadaptowały CFRP do zastosowań całkowicie cywilnych.

Dzisiaj dostępność oraz znaczny spadek ceny materiału umożliwia nam stosowanie go w szerszym spektrum zastosowań niekoniecznie widowiskowych, czyli tam gdzie królują tkaniny techniczne. Nieocenione zalety ekonomiczne przynosi np. zastosowanie kompozytu węglowego w automatyce. Zamiana ciężkich metalowych ustrojów nośnych, obudów a niekiedy nawet mechanizmów na węglowe, umożliwiła wykorzystanie maksimum mocy napędów maszyn. Dzięki lżejszej konstrukcji mogą one „skupić się” na wykonywaniu zaprogramowanej pracy zamiast tracić energię na poruszanie własnej masy. Przykładowo zwiększa się uciąg oraz zasięg urządzeń samobieżnych lub latających. Ponadto elementy lżejsze mają znacznie mniejszą bezwładność co przekłada się na zwiększoną precyzję ruchu oraz mniejsze zużycie zmęczeniowe. Mówiąc wprost CFRP umożliwia nam zoptymalizowanie spożytkowania energii.

Wytrzymałość materiałów

Poniższa tabelka przedstawia stosunek wytrzymałości materiału do masy dla przykładowych próbek różnych materiałów przy preferencyjnym obciążeniu. Przedstawione dane są bardzo ogólnikowe, maja na celu wyłącznie nakreślenie zależności.

MateriałkNm/kg
Aramid - kevlar 2514
Suche włókno węglowe2457
Suche włókno szklane 1307
Nić pajęcza 1069
Kompozyt CFRP - epoksydowy 785
Stop stali254
Stop aluminium222
Polipropylen 89

Optymalizacja materiałów kompozytowych

W istocie cały proces powstawania materiałów kompozytowych skupiony jest wokół optymalizacji. Gdy mówimy bezpośrednio o samym materiale chodzi o optymalizację wykorzystania mocnych stron użytych składników (zbrojenie+polimer).

Na właściwościach zastosowanej materii się nie kończy. Jak pisaliśmy wcześniej, kluczowe jest rozmieszczenie i kierunek zbrojenia budującego tkankę wyrobu, czyli kolejna optymalizacja. Oznacza to, że jeśli umieścimy właściwy rodzaj i ilość zbrojenia dokładnie tam gdzie będzie jest ono potrzebne, to uzyskamy idealny stosunek masy do wytrzymałości wyrobu.

Niestety tak drastyczna optymalizacja ma swoje ryzyko. Ujawnia się ono wtedy gdy, nie przewidzimy wszystkich działających na obiekt sił oraz ich kierunków lub wydarzy się coś nieoczekiwanego. Wtedy może okazać się, że w miejscu wystąpienia dodatkowych naprężeń nie ma właściwego zbrojenia i ustrój zostanie uszkodzony.

Dlatego przy wdrażaniu projektu i technologii wytwarzania każdego wyrobu z kompozytu nieoceniony jest doświadczony projektant-technolog i w razie potrzeby odpowiednio przeprowadzone próby zmęczeniowe / zniszczeniowe.

Autorami artykułu są Antonina Żółtowska i Michał Staszewski z firmy G Composites, która specjalizuje się w produkcji dedykowanych i seryjnych wyrobów kompozytowych do zastosowań konstrukcyjnych, sportowych oraz przemysłowych.

Czytaj więcej: Kompozyty 160