Zrozumieć włókno węglowe

Włókno węglowe to niezwykły materiał. Dopracowanie jego wytwarzania i przetwórstwa otworzyło zupełnie nowy horyzont rozwiązań dla światowego przemysłu od projektów wojskowych po nowoczesny design mebli.

Wachlarz możliwości kompozytów CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) ciągle się poszerza. Odpowiednio skonstruowany kompozyt zbrojony włóknem węglowym jest niezwykle lekki, wytrzymały i do tego ma właściwości tłumiące drgania. Dzięki jego zastosowaniu dzisiaj możemy konstruować:

1. Elementy dłuższe i smuklejsze niż kiedykolwiek, bez obaw, że załamią się pod własnym ciężarem.
2. Cięgna o zredukowanym przekroju i mniejszej masie;
3. Wyroby ultralekkie, które osadzimy na również znacznie lżejszych i mniej rozbudowanych podporach niż dawniej;
4. I co na ten moment najważniejsze, z pomocą węgla budujemy urządzenia wymagające mniejszych mocy napędowych do wykonywania swojej pracy lub prezentujące znacznie lepsze osiągi przy zachowaniu tych samych napędów co wcześniej (samochody, drony, ramiona robotyczne).

Należy jednak pamiętać, że nie każde włókno węglowe ma takie same właściwości, a w szczególności nie każdy kompozyt węglowy je ma. Właściwości gotowego elementu konstrukcyjnego wynikają ze współpracy włókien zbrojeniowych z wypełnieniem z żywic polimerowych oraz ewentualnych dodatków. Dopiero odpowiednio dobrane parametry tych składników nadają kompozytowi pożądane właściwości. Już sam dobór konkretnej żywicy dramatycznie zmienia właściwości mechaniczne i chemiczne otrzymanego materiału. To samo dotyczy typu i rozmieszczenia włókna węglowego, na którym skupimy się w tym artykule.

Niezwykłe właściwości kompozytu CFRP

Za niezwykłe parametry kompozytu CFRP odpowiada jego włóknista natura. Jej strukturę od poziomu widzialnego do mikroskopijnego doskonale prezentuje poniższy film. Jest to najprawdopodobniej najlepszy tego typu materiał dostępny w internecie.

To właśnie jakość, rozmieszczenie oraz kierunek zbrojenia tworzą charakterystykę elementów z niego wytworzonych. Gotowe do przetworzenia włókno węglowe jeszcze przed zalaminowaniem, ma kilka cech, które świadczą o jego przydatności konstrukcyjnej. Podstawowym parametrem samej wiązki włókien jest jej wytrzymałość na rozciąganie (MPa) oraz moduł sprężystości czyli moduł Younga (GPa). Te cechy świadczą bezpośrednio o jakości podstawowej nitki tworzącej rowing węglowy (wiązkę pojedynczych włókien grafitowych). Kolejne parametry to ilość tych włókien w pasmie rowingu oraz Tex czyli ich sumaryczna masa na odcinku 1km. Umiejętność czytania tych liczb dostarcza nam wiedzy min. na temat grubości / szerokości wiązki oraz ilości niezbędnych warstw materiału potrzebnych aby nadać kompozytowi pożądaną wytrzymałość.

Jednak rowing poza niektórymi technologiami przetwórstwa jak np. filament winding lub poltruzja, jest jedynie półproduktem. Na jego bazie produkowana jest szeroka gama tkanin węglowych o właściwościach zależnych zarówno od typu użytego rowingu jak i zastosowanego splotu lub szycia.

Tkaniny węglowe

Tkaniny węglowe dzielą się na liczne grupy w zależności od przeznaczenia. Ich podstawowy podział przedstawiliśmy na poniższym grafie.

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.

Materiał	kNm/kg
Aramid - kevlar	2514
Suche włókno węglowe	2457
Suche włókno szklane	1307
Nić pajęcza	1069
Kompozyt CFRP - epoksydowy	785
Stop stali	254
Stop aluminium	222
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.