Włókno węglowe - omówienie

To co jest niemożliwe w przypadku metalu, możliwe jest w przypadku tworzyw kompozytowych - w dowolnym miejscu kompozytowej rury można dowolnie niemal zaprojektować i wykonać odcinek o zamierzonej gęstości, sztywności, wytrzymałości itd. Udaje się tego dokonać zmieniając kąt zatopionych w spoiwie włókien węglowych, grubość warstw i stosując różne kombinacje materiałów. W ten sposób finalne właściwości tworzywa można dokładnie dopasować do specyficznych zastosowań. Wreszcie to, co jest być może najbardziej godne podkreślenia - park maszynowy producenta rur kompozytowych jest dużo tańszy od odpowiadającego mu parku producenta zaawansowanych technologicznie rur metalowych. Kompozytowe rury typowo wykonywane są z wykorzystaniem stalowego rdzenia (następnie usuwanego) poprzez nawijanie na nim nitek z włókna węglowego w różnoraki sposób: - kilkoma nitkami pod różnymi kątami, - pod tym samym kątem (warstwowo), - wieloma nitkami wzajemnie plecionymi ze sobą. Zupełnie odmienna metoda polega na przeciąganiu nitek przez podgrzewaną głowicę, gdzie łączą się one ze sobą tworząc jednolitą masę. Każdy z producentów posiada swój własny patent na ilość warstw i kierunek zaplotu, dzięki czemu uzyskuje się materiał o specyficznych własnościach takich jak: sztywność, wytrzymałość i ciężar. Stwarza to przed konstruktorem nieograniczone wręcz możliwości inwencji twórczej, podczas gdy wszelkie metale są w tym względzie zdecydowanie bardziej ograniczone . Indywidualne kształtowanie ramy rowerowej (tailoring) nie jest niczym niezwykłym - od lat ramy stalowe wykonywane są z cieniowanych rur dla zredukowania ciężaru i zwiększenia wytrzymałości. Jednak tylko technologia rur kompozytowych umożliwia tak precyzyjne formowanie kształtu i grubości rury w dowolnych miejscach na całej długości, jakie absolutnie nie jest możliwe w przypadku rur z dowolnego metalu. Rys.1 pokazuje względną sztywność dla czterech podstawowych materiałów używanych do budowy ram rowerowych. Definiuje się ją jako moduł sprężystości w stosunku do ciężaru właściwego. Niejeden może zapytać: skoro ramy karbonowe mają tak olbrzymią przewagę pod względem sztywności nad pozostałymi, czemu nie są więc od pozostałych dużo lżejsze? Odpowiedź brzmi tak, że wciąż trudno jest zachować kontrolę nad siłami oddziaływującymi w całej strukturze, co skutkuje koniecznością przewymiarowania w pewnych newralgicznych miejscach. Rys.1 Obrazowe przedstawienie sztywności w stosunku do ciężaru dla różnych materiałów Włókna węglowe mogą być w prosty sposób uformowane w struktury monolityczne poprzez ich krzyżowanie i wykorzystanie spoiwa. Uzyskuje się w ten sposób materiał o wyśmienitych parametrach mechanicznych. Dość powiedzieć, że materiał kompozytowy używany do budowy ram rowerowych posiadając zaledwie ćwierć ciężaru odpowiadającemu mu pod względem sztywności stopowi żelaza, ma aż cztery razy większą wytrzymałość. Dodatkowo materiały kompozytowe są wyjątkowo odporne na zjawisko "zmęczenia materiałowego" oraz zapewniają najlepsze z wszystkich znanych materiałów tłumienie drgań.

(…)

… w 100% z włókna węglowego
W celu utwardzenia wkładany jest do pieca.
Każda część bolidu wykonana jest z włókna węglowego nawet skrzynia biegów. Nie jest wykorzystywany jedynie w silniku.
Miałem okazję poznać technologię wykonania części rowerów z włókna węglowego oraz zobaczyć, 'jak się to robi'. Cóż to więc jest 'włókno węglowe'? Najprościej mówiąc materiał przypomina tkaninę. Kupuje się go u producentów włókna na metry kwadratowe. Tkanina 'koloru węgla' charakterystycznie odbija światło, niczym świeżo oszlifowany metal. Faktura tkaniny jest na tyle estetyczna, że często nie zostaje pokryta farbami. Rozplatając jedną z takich nici na pojedyncze włókna można przekonać się, że mają one średnice wielokrotnie mniejsze niż ludzki włos. Wprost trudno uwierzyć, że to właśnie z takiej metalicznie lśniącej tkaniny powstają najbardziej wytrzymałe i jednocześnie lekkie konstrukcje. Tkanina nie jest tania. Jeden metr kwadratowy kosztuje około 120 - 150 pln.
Fota 6. Tkanina z włókna węglowego
Fota 7. Widoczne pojedyncze węglowe włókna
Fota 8. Dla porównania włókno szklane
Fota 9. Pojedyncze nici włókna szklanego
Wykonanie ramy rozpoczyna się od przygotowania formy, w której zostanie ułożona tkanina…
… mezofazowe, smoły lub żywice fenolowe. Proces technologiczny składa się z dwóch etapów: otrzymywania włókien, a następnie karbonizacji. Procesowi karbonizacji poddaje się różne postaci włókna jak również tkaniny lub maty. Włókna karbonizowane są nietpoliwe, mają duży moduł, dużą odporność cieplną i chemiczną, dobrą przewodność cieplną i elektryczną, mały współczynnik tarcia i małą gęstość. Mają dobre…
... zobacz całą notatkę