Connect with us

Czego szukasz?

powered by Advanced iFrame. Get the Pro version on CodeCanyon.

Inne

Włókno węglowe. Wszystko, co powinieneś wiedzieć o karbonie

Motoryzacja stale dąży do rozwoju w kierunku osiągów. Konstruktorom niezależnie czy to w motorsporcie, czy często też w samochodach cywilnych, zależy na poprawieniu wydajności, zwiększeniu mocy i oczywiście na zmniejszeniu masy. My zajmiemy się tym ostatnim problemem, gdyż poruszymy temat materiału, który diametralnie zmienił motoryzację. Włókno węglowe – bo to właśnie o nim mowa to kompozyt rewolucyjny, który mimo stosunkowo zaawansowanego wieku wciąż znajduje swoje zastosowanie w budowie samochodów i idealnie spełnia w nich swoją funkcję. Przedstawiamy kompendium wiedzy o włóknie węglowym.

Włókno węglowe
Fot. Porsche / Proces wytwarzania felg z włókna węglowego

Czym jest włókno węglowe?

Włókno węglowe znane nam z motoryzacji to kompozyt – materiał złożony z wielu komponentów o różnych właściwościach. Złożony z wielu komponentów, ponieważ w budowie samochodów nie mamy do czynienia z czystym włóknem węglowym. Aby to zrozumieć musimy najpierw dowiedzieć się jak w ogóle włókno węglowe powstaje i jakie są metody jego wytwarzania. 

Najważniejszą częścią karbonu – jak powszechnie nazywany jest ten kompozyt – jest tkanina z pojedynczych włókien węglowych. Bazą do powstania tych właśnie włókien są polimery organiczne (polimer – substancja o bardzo dużej masie cząsteczkowej). Ich cząsteczki są połączone węglem i to właśnie ten węgiel będzie tworzył włókna węglowe. W przypadku karbonu używanym polimerem jest poliakrylonitryl.

Włókna, których bazą jest poliakrylonitryl poddawane procesowi pirolizy. Jest on długi i obejmuje m.in karbonizację (uwęglanie), która usuwa z nich wszystkie niepotrzebne atomy pozostawiając sam węgiel. Podczas procesu finalnie otrzymujemy pojedynczą nić, która składa się wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych o budowie podobnej do naturalnego grafitu, co poprawia ich wytrzymałość.

Jak powstają części z włókna węglowego?

Kiedy mamy już przędzę nici stworzoną z samego węgla, bez niepotrzebnych dodatków możemy rozpocząć układanie jej w interesującą nas plecionkę. Tutaj inżynierowie mogą wybierać z wielu wzorów. Zdecydowanie najszerzej używanym w motoryzacji jest tzw. „twill”, w którym pasma włókna przecinają się pod kątem 90 stopni. Zapewnia dużą wytrzymałość we wszystkich kierunkach i jest dość atrakcyjny wizualnie.

Włókno węglowe

Włókno węglowe

Arkusze włókna nakłada się na siebie pod różnym, odpowiednim dla projektanta kątem i w określonej ilości warstw. Dla przykładu Pagani za pomocą komputera określa jaką grubość oraz jak względem siebie mają być położone arkusze, aby zapewnić dobrą sztywność nadwozia. Nałożone na siebie warstwy włókna węglowego należy jakoś ze sobą połączyć. Służy do tego syntetyczna żywica, która utwardza się pod wpływem ciepła i ładnie wiąże całość ze sobą. To właśnie obecność żywicy czyni włókno węglowe kompozytem i stanowi drugi element całej układanki.

Skoro żywica wiąże arkusze pod wpływem ciepła, co zrobić, aby zadziałała? Skoro włóknom węglowym temperatura nie straszna, to dlaczego takiego elementu po prostu nie upiec? Potrzebny jest tylko odpowiednio duży i zaawansowany piekarnik. Do takiego pieca wkłada się połączony żywicą element w odpowiedniej formie oddającej interesujący nas kształt, materiał twardnieje i właśnie to jest właśnie pierwszy sposób na wytwarzanie części z włókna węglowego. To też sposób najbardziej rozpowszechniony.

W motoryzacji znamy również inną metodę opartą o formowanie tłoczne, z której korzysta chociażby BMW. Wykorzystuje ona dwuczęściową, ogrzewaną formę, która pod wpływem ciepła i nacisku łączy żywicę i arkusz włókna węglowego w kompozyt. Jest ona droga, gdyż wymaga późniejszej obróbki, ale producenci chwalą się, że dzięki temu karbonowe elementy można wytwarzać szybciej.

ZOBACZ TAKŻE
Halo w F1: Bezpieczeństwo kierowców ponad wszystko

Jakie właściwości ma włókno węglowe?

Wiemy już więc z czego powstają części z włókna węglowego. Wiemy też jak się takie elementy robi, ale właściwie to o co tyle zachodu? Na czym polega fenomen włókna węglowego? Co oferuje karbon czego nie dają nam elementy stworzone np. z metalu? 

Przede wszystkim należy wspomnieć o fenomenalnym stosunku wytrzymałości do wagi. W przypadku włókna węglowego szeroko pojęta wytrzymałość oznacza: ogromną odporność na rozciąganie, ścieranie i temperaturę, niezwykłą sztywność, wyjątkową wytrzymałość na zmęczenie materiału przy intensywnej eksploatacji, odporność na wiele czynników chemicznych i dobrym tłumieniem drgań. Niską wagę w przypadku karbonu łatwo, natomiast opisać porównując ten kompozyt do stali. Jest on od niej ok. 5 razy lżejszy. Te czynniki powodują, że włókno węglowe jest wymarzonym materiałem dla wielu konstruktorów i znajduje zastosowanie również w motoryzacji.

Kiedy włókno węglowe zaczęło pojawiać się w samochodach?

Zastosowanie włókna węglowego w motoryzacji rozpoczęło się tak jak wiele innych wynalazków – od testów w Formule 1. Z pionierskiego zastosowania tego kompozytu fani mogą znać McLarena i jest to prawda choć tylko po części. Bowiem już w latach 80-tych jako pierwszy konstrukcję samochodu o karbon oparł Toleman. Samochód był już gotowy, natomiast zgrało się to z czasem, w którym zespół nie znalazł odpowiedniego dostawcy silników i zadebiutował dopiero kilka miesięcy po McLarenie. 

Włókno węglowe

Fot. David Merett / McLaren MP4/1 – pierwszy bolid z włókna węglowego który wystartował w wyścigu F1

Fakt, że w pierwszych latach użytkowania tego typu konstrukcji Brytyjczycy nie odnieśli spektakularnych sukcesów nie zniechęcił zespołu. McLaren w kolejnych latach rozwijał projekt i zrewolucjonizował Formułę 1 zdobywając mistrzostwa zarówno kierowców jak i konstruktorów. Doświadczenie wyniesione z królowej motorsportu pozwoliło na budowę najsłynniejszego projektu Gordona Murraya – McLarena F1. Samochodu, który jako jeden z pierwszych samochodów zbudowanych z włókna węglowego pobił światowy rekord prędkości samochodu drogowego (387,9 km/h) i w wersji torowej wygrał Le Mans. Jako pierwszy projekt oparty na karbonie udowodnił wartość kompozytów i wprowadził je na dobre do motoryzacji.

Dziś zastosowanie włókna węglowego w samochodach wyścigowych jest standardem. Dzięki niemu konstruktorzy tworzą coraz to szybsze i wytrzymałe konstrukcje. Niejednokrotnie kompozyt ten ratuje komuś życie lub zdrowie. Jak mało bezpieczna byłaby Formuła 1, gdyby nie karbonowy monokok? Bez wątpienia czyni to ten kompozyt jednym z najważniejszych dla motoryzacji wynalazków w historii. 

Skomentuj

Leave a Reply

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Reklama