Carbon

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

Włókno węglowe jest zaawansowanym materiałem kompozytowym, który składa się z cienkich włókien węglowych o wyjątkowej wytrzymałości i lekkości. Jest to jeden z najbardziej innowacyjnych materiałów stosowanych w dziedzinie inżynierii, a jego zastosowania są szerokie i różnorodne. Włókno węglowe to materiał o strukturze mikroskopijnych włókien węglowych, które są znacznie cieńsze niż ludzki włos. Te włókna są wytwarzane z polimerów węglowych, takich jak poliakrylonitryl (PAN) lub piknolektron (Węgiel wysokomodułowy). Proces produkcji włókna węglowego obejmuje kilka etapów, w tym rektyfikację, karbonizację i grafityzację, które prowadzą do uzyskania włókien o wysokiej czystości węgla.

 

Włókno węglowe ma wiele unikalnych cech, które czynią je materiałem o niezrównanych właściwościach:

  1. Wytrzymałość i lekkość: Włókno węglowe jest znacznie wytrzymalsze od stali, jednocześnie będąc znacznie lżejsze. Ma wyjątkową wytrzymałość na rozciąganie, która wynosi nawet kilka razy więcej niż stal przy tej samej wadze.
  2. Sztywność: Jest to materiał o bardzo wysokiej sztywności, co oznacza, że ma zdolność do efektywnego przenoszenia obciążeń bez większych odkształceń.
  3. Odporność na korozję: Włókno węglowe jest odporne na korozję chemiczną i atmosferyczną. Nie rdzewieje ani nie ulega degradacji pod wpływem wilgoci lub substancji chemicznych.
  4. Wysoka temperatura rozkładu termicznego: Włókno węglowe ma bardzo wysoką temperaturę rozkładu termicznego, co oznacza, że zachowuje swoje właściwości nawet w ekstremalnie wysokich temperaturach.
  5. Doskonałe właściwości elektryczne: Włókno węglowe ma doskonałe właściwości przewodzące elektryczność, co sprawia, że jest wykorzystywane w branżach elektronicznych i elektrochemicznych.

 

Włókno węglowe znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, motoryzacyjny, stoczniowy, energetyka, sport i rekreacja, medycyna, zbrojeniowy i wiele innych. Jest stosowane do produkcji kadłubów samolotów, części rakiet kosmicznych, elementów nadwozia samochodowego, konstrukcji łodzi, ramek rowerowych, rakiet tenisowych, implantów medycznych i wielu innych wyrobów.

 

Włókno węglowe jest niezwykle innowacyjnym materiałem, który rewolucjonizuje przemysł i technologię. Jego unikalne właściwości, takie jak wytrzymałość, lekkość i odporność na korozję, czynią go materiałem przyszłości. Dzięki rosnącej świadomości ekologicznej i potrzebie oszczędzania energii, włókno węglowe będzie nadal się rozwijać i znajdować szerokie zastosowanie w różnych branżach i dziedzinach życia.

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.

ZALETY WŁÓKNA WĘGLOWEGO (CARBONU)

  1. Wytrzymałość i lekkość: Włókno węglowe charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością i lekkością. Posiada wytrzymałość na rozciąganie 2-5 razy większą od stali, jednocześnie będąc o około 30% lżejszym. To sprawia, że jest idealnym materiałem do zastosowań, gdzie wymagana jest wysoka wytrzymałość przy minimalnej masie.

 

  1. Moduł Younga: Moduł Younga jest miarą sztywności materiału. Włókno węglowe ma wyjątkowo wysoki moduł Younga, wynoszący około 230-700 GPa (gigapaskali). Jest to znacznie wyższa wartość niż w przypadku innych popularnych materiałów konstrukcyjnych, takich jak aluminium czy stal.

 

  1. Odporność na korozję: Włókno węglowe jest odporne na korozję chemiczną i atmosferyczną. W przeciwieństwie do metali, nie ulega rdzewieniu ani korozji elektrochemicznej. Dzięki temu ma dłuższą żywotność i wymaga mniejszych nakładów na konserwację i naprawy.

 

  1. Temperatura rozkładu termicznego: Włókno węglowe charakteryzuje się wysoką temperaturą rozkładu termicznego. Oznacza to, że wytrzymuje bardzo wysokie temperatury bez degradacji struktury. Przy czym ważny jest aspekt matrycy żywicznej w jakiej zostało umieszczone zbrojenie z włókna węglowego.

 

  1. Zastosowania: Wyroby z włókna węglowego znajdują zastosowanie w wielu branżach. Są one używane w przemyśle lotniczym do produkcji kadłubów, skrzydeł i elementów konstrukcyjnych samolotów. W branży motoryzacyjnej stosuje się je w produkcji elementów nadwozia, układów wydechowych i podwoziowych, monokoków, wałów napędowych. W branży stoczniowej wykorzystuje się włókno węglowe do budowy kadłubów, masztów, pokładów, relingów, odbojnic, grodzi. W branży zbrojeniowej jest używane do produkcji konstrukcji nośnej i obudów armat do kal.35mm, magazynów amunicji, obudów i konstrukcji radarów, głowic optoelektronicznych, dronów latających, podwodnych i nawodnych, wież bezzałogowych, magazynów i magazynków amunicyjnych i wielu innych.

 

  1. Włókno węglowe ma znakomitą wytrzymałość na rozciąganie i doskonałą sztywność.

 

  1. Estetyka: Wyroby z włókna węglowego cieszą się także popularnością ze względu na swoje unikalne wykończenie powierzchni. Charakterystyczny wzór włókien węglowych i ich połyskujący lub matowy wygląd nadają im estetyczny i nowoczesny wygląd. Powierzchnie z włókna węglowego (carbonu) z estetyczną, widoczną strukturą włókien nazywane są potocznie carbon clear.

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.

NOWOŚĆ W CARBON C14

WŁÓKNO WĘGLOWE KUTE (FORGED CARBON)

Forged carbon – rewolucja w dziedzinie kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym

 

Forged carbon, to innowacyjny materiał, który zyskał popularność w branży motoryzacyjnej oraz designerskich, nietypowych formach architektonicznych. Jego wynalazcami są włoscy naukowcy, którzy w połowie lat 2000. zaczęli szukać sposobu na obniżenie kosztów produkcji części kompozytowych oraz zwiększenie prędkości produkcji. Wówczas firma Lamborghini postawiła sobie za cel zastąpienie wahaczy wykonywanych w technologii kutego aluminium, wahaczami z włókna węglowego.

Aby osiągnąć ten cel, Lamborghini nawiązało współpracę z firmą Callaway Golf Company oraz Uniwersytetem w Waszyngtonie. Razem podjęli się szeroko zakrojonych badań w celu opracowania materiału o bardzo dobrej odporności na obciążenia cykliczne oraz wilgoć, a także o niższym module sprężystości w porównaniu z aluminium, dużej wytrzymałości mechanicznej oraz łatwym przetwarzaniu.

 

Kuty Karbon to wynik tych badań – materiał, który można określić jako uproszczenie istniejących technologii kompozytowych. Według wynalazców, jest to nie tylko nowy materiał, ale również w pełni istniejąca technologia łącząca cechy materiałowe oraz specyfikę prostego procesu przetwórczego pozwalającego na uzyskanie elementu kompozytowego.

Zazwyczaj tkaniny węglowe formuje się w ostateczny kształt układając je warstwowo i impregnując żywicą. Kuty Karbon różni się od tradycyjnych tkanin i prepregów z włókna węglowego, ponieważ jest w postaci pasty włókien węglowych i żywicy epoksydowej wymieszanej w odpowiednich proporcjach. Dzięki temu nie wymaga on starannego cięcia i precyzyjnego układania w formach.

Po przygotowaniu wymaganej ilości materiału wsadowego i umieszczeniu jej w gorącej formie prasy hydraulicznej, materiał ten jest ściskany i utwardzany w czasie kilku minut. Dzięki temu proces produkcji elementów z kutego węgla jest szybszy i prostszy niż w przypadku tradycyjnych technologii kompozytowych. Ostatecznie uzyskujemy lekkie i wytrzymałe elementy, które znajdują zastosowanie nie tylko w motoryzacji, ale także w innych dziedzinach przemysłu.

 

W Carbon C14, wykorzystujemy w procesie wytwarzania elementów z karbonu kutego (włókno węglowe kute), specjalnie przygotowane nowoczesne prepregi przeznaczone do wytwarzania kutego karbonu.

Taka technologia pozwala na produkcję wyrobów z kutego włókna węglowego, bez potrzeby wytwarzania specjalnych, bardzo drogich form do prasy, tylko typowych form do formowania kompozytów.

Taki zabieg umożliwia produkcję elementów z karbonu kutego w krótkich seriach, a nawet pojedynczych egzemplarzach.

Minusem włókna węglowego kutego, są trudności w jego lakierowaniu, zwłaszcza przy lakierowaniu typu carbon look, w połysku.  Lakiernicy Carbon C14, sprostają jednak każdemu zadaniu przy lakierowaniu kompozytów węglowych.

TECHNOLOGIA PREPREGÓW WĘGLOWYCH

Co to są prepregi węglowe (z włókna węglowego)?

Prepregi węglowe są kompozytowymi materiałami, które składają się z dwóch głównych składników: włókien węglowych i żywicy epoksydowej lub innego polimeru. Proces produkcji prepregów węglowych obejmuje impregnację włókien węglowych żywicą w fabryce, a następnie ich umieszczenie między foliami ochronnymi, aby zachować odpowiednie właściwości i utrzymać ich wilgotność na odpowiednim poziomie.

 

Oto kilka istotnych informacji na temat prepregów węglowych:

 

  1. Włókna węglowe: Włókna węglowe, znane również jako włókna węglowe lub włókna węglowe wysokomodułowe, są głównym składnikiem prepregów węglowych. Są one wykonane z przędzy węglowej, która jest poddawana procesom pirolizy w wysokiej temperaturze. Włókna węglowe charakteryzują się dużą wytrzymałością, sztywnością i niską wagą, co czyni je atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym.

 

  1. Żywica epoksydowa: Prepregi węglowe są impregnowane żywicami epoksydowymi, które pełnią rolę matrycy wiążącej włókna węglowe w kompozycie. Żywice epoksydowe są wybierane ze względu na swoje właściwości, takie jak dobra adhezja do włókien węglowych, wysoka wytrzymałość, sztywność, odporność na korozję i temperaturę oraz zdolność do formowania w różne kształty.

 

  1. Wytrzymałość i lekkość: Prepregi węglowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i ściskanie, co czyni je idealnym materiałem do zastosowań, w których wymagana jest duża wytrzymałość przy minimalnej masie. W porównaniu do tradycyjnych materiałów, takich jak aluminium czy stal, prepregi węglowe mają znacznie niższą wagę, co przekłada się na osiągi i efektywność konstrukcji.

 

  1. Elastyczność i formowalność: Prepregi węglowe są elastyczne i można je formować w różne kształty, co umożliwia tworzenie zaawansowanych konstrukcji o optymalnym dopasowaniu do wymagań projektowych. Mogą być ręcznie układane w formie warstw, które następnie są utwardzane pod wpływem temperatury i ciśnienia, albo mogą być stosowane w automatycznych procesach produkcyjnych.

 

Przetwarzanie prepregów węglowych to proces wytwarzania elementów kompozytowych z włókien węglowych i żywicy. Prepregi to gotowe do użycia materiały kompozytowe, w których włókna węglowe są już nasączone żywicą. Prepregi są bardzo popularne w przemyśle lotniczym, samochodowym i sportowym, ponieważ pozwalają na łatwe i skuteczne tworzenie wytrzymałych i lekkich części.

 

Oto kilka etapów procesu przetwarzania prepregów węglowych:

 

  1. Cięcie: Prepregi są cięte na odpowiednią wielkość przy użyciu noża lub maszyny tnącej.

 

  1. Układanie: Włókna węglowe są układane w odpowiednim układzie w zależności od wymaganego kształtu i właściwości mechanicznych elementu końcowego.

 

  1. Formowanie: Włókna węglowe nasączone żywicą są następnie formowane w docelowy kształt i umieszczone w specjalnej formie.

 

  1. Wulkanizacja: Forma jest podgrzewana, aby utwardzić żywicę i związać włókna węglowe. Temperatura i czas trwania procesu wulkanizacji zależy od rodzaju żywicy i wymagań końcowych dla elementu.

 

  1. Obróbka końcowa: Po wulkanizacji element końcowy jest poddawany obróbce końcowej, takiej jak szlifowanie, cięcie, wiercenie, polerowanie itp.

 

Prepregi węglowe oferują wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi tkaninami węglowymi, ponieważ umożliwiają precyzyjne kształtowanie i bardziej kontrolowane nasączanie żywicą, co daje lepsze właściwości mechaniczne i pozwala na uzyskanie mniejszej ilości odpadów. Prepregi węglowe charakteryzują się również dobrą odpornością termiczną. Wytrzymują one wysokie temperatury, co sprawia, że są idealne do zastosowań, które narażone są na ekstremalne warunki termiczne, takie jak ochrona termiczna w technologiach kosmicznych. Jednak najbardziej popularne prepregi węglowe gdzie lepiszczem jest żywica epoksydowa bio, nie są odporne na wysokie temperatury. W Carbon C14 otrzymasz wsparcie, jeżeli potrzebujesz osiągnąć w kompozytach węglowych odporność na wysokie temperatury.

 

Prepregi węglowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, kosmicznym, samochodowym, sportowym i wielu innych dziedzinach, gdzie lekkość, wytrzymałość i doskonałe właściwości mechaniczne są kluczowe.

 

 

Prepregi węglowe w technologiach kosmicznych i lotniczych.

 

Prepregi węglowe odgrywają ważną rolę w technologiach kosmicznych i lotniczych, ponieważ oferują wyjątkowe właściwości mechaniczne i lekkość, co przekłada się na osiągi i efektywność pojazdów. Prepregi węglowe to kompozyty złożone z włókien węglowych (znanymi także jako włókna węglowe) wzmocnionych żywicami epoksydowymi lub innymi polimerami.

 

Oto kilka obszarów, w których wykorzystuje się prepregi węglowe w technologiach kosmicznych i lotniczych:

 

  1. Struktury kadłubów: Prepregi węglowe są powszechnie stosowane do konstrukcji kadłubów samolotów i statków kosmicznych. Ich wyjątkowa wytrzymałość i lekkość umożliwiają tworzenie mocnych i wydajnych struktur, które jednocześnie są lekkie i odporne na zmęczenie.

 

  1. Skrzydła i powierzchnie sterowe: Włókna węglowe stosowane w prepregach są również wykorzystywane do wzmocnienia skrzydeł i powierzchni sterowych. Włókna te zapewniają większą wytrzymałość na rozciąganie, sztywność i odporność na warunki atmosferyczne w porównaniu do tradycyjnych materiałów, takich jak aluminium.

 

  1. Rurki i elementy strukturalne: Prepregi węglowe znajdują zastosowanie w produkcji rurek i innych elementów strukturalnych. Dzięki swojej elastyczności i możliwości formowania w różne kształty, prepregi węglowe umożliwiają tworzenie zaawansowanych konstrukcji o optymalnej wytrzymałości i minimalnej wadze.

 

  1. Ochrona termiczna: Włókna węglowe są również wykorzystywane w technologiach kosmicznych do tworzenia osłon termicznych, które chronią pojazdy przed ekstremalnymi temperaturami podczas powrotu z orbity. Włókna węglowe mają wysoką odporność na wysokie temperatury i są lekkie, co czyni je idealnym materiałem do tego zastosowania.

 

Prepregi węglowe mają wiele zalet, ale wymagają precyzyjnego projektowania i produkcji. Ich zastosowanie w branży kosmicznej i lotniczej przyczynia się do rozwoju nowoczesnych, wydajnych i ekonomicznych technologii, które są bardziej ekologiczne i oszczędne w eksploatacji.