Carbon

Carbon to potoczne, nietechniczne określenie laminatów z włókien węglowych i materiałów kompozytowych opartych na tych włóknach.

Włókno węglowe (włókno carbonizowane) włókno powstające w wyniku kontrolowanej pirolizy poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych, składające się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu.

Ich wysoce zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie. Włókna te są stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach, które wspólnie nazywa się czasami „carbonami”. Dodatek włókien węglowych powoduje też wzmocnienie żagli jachtowych oraz powoduje polepszenie właściwości materiału z którego wykonywane są np. namioty czy odzież.

Włókna te dzieli się na dwa rodzaje:

  1. Właściwe włókna węglowe, które zawierają 80-98% węgla, ich grafitowa struktura jest słabo rozwinięta i mało zorientowana; włókna węglowe z poliakrylonitrylu mają moduł Younga E ok. 90 GPa, a wytrzymałość na rozciąganie Rr ok. 900 MPa.
  2. Włókna grafitowe zawierają ok. 99% węgla z dobrze wykształconą i zorientowaną grafitową strukturą krystaliczną; włókno grafitowe z poliakrylonitrylu mają moduł E ok. 420 GPa, wytrzymałość Rr ok. 2 500 MPa.

WŁÓKNO WĘGLOWE + ŻYWICA
(ang. carbon fiber reinforced plastic – cfrp)

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) powstaje przez połączenie włókien węglowych czyli zbrojenia i żywicy epoksydowej, która stanowi spoiwo. Jest to struktura podobna do żelbetu, w którym spoiwem jest beton, a zbrojeniem stal. Podstawową różnicą jest to, że kompozyt węglowy ma dużo większą wytrzymałość. Kierunek ułożenia włókien, rodzaj splotu, ilość warstw mat i stosunek zawartości żywicy i włókna ma wpływ na właściwości kompozytu. Można zatem uzyskać podane właściwości materiału projektując jego twardość i wytrzymałość, i tak np.: – do budowy ram rowerowych użyjemy materiału lepiej tłumiącego drgania, czyli o większym współczynniku sprężystości, – przy konstruowaniu kadłuba samolotu użyjemy kompozytu o większej sztywności i wytrzymałości. Najważniejszą cechą każdego rodzaju kompozytu węglowego są jego znakomite własności mechaniczne przy niskiej gęstości samego materiału. W zależności od rodzaju włókna węglowego i spoiwa własności mechaniczne CFRP zmieniają się. Kompozyt ma średnio sześciokrotnie wyższą wytrzymałość na rozciąganie i średnio trzykrotnie wyższy współczynnik sprężystości podłużnej niż stali, przy czterokrotnie niższym ciężarze, (średnia wytrzymałość charakterystyczna na rozciąganie 2,5 GPa, średni współczynnik sprężystości podłużnej 450 GPa, gęstość 1.75g/cm3). Ponadto włókno węglowe charakteryzuje się bardzo dużą odpornością na zmęczenie materiału.

Włókna węglowe mają niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i cechuje je wysoka stabilność wymiarów. Ich korzystne własności mechaniczne nie zmieniają się nawet pod działaniem wysokiej temperatury.