Włókno węglowe: co to jest, rodzaje, właściwości materiałów i kompozyty

Co to jest włókno węglowe?

Włókno węglowe to wysokowydajny materiał składający się z długich, cienkich włókien atomów węgla – każde pasmo ma średnicę około pięciu do dziesięciu mikrometrów i jest cieńsze niż ludzki włos. Włókna te są ze sobą połączone w krystaliczną strukturę ułożoną wzdłuż osi włókna, co właśnie nadaje włóknu węglowemu niezwykły stosunek wytrzymałości do masy. Materiał nie jest metalem, plastikiem ani ceramiką. Należy do kategorii zaawansowanych materiałów inżynierskich, którą definiuje skład pierwiastkowy: ponad 90% wagowo węgla.

Włókno węglowe jest prawie zawsze stosowane jako wzmocnienie materiału matrycy – najczęściej żywicy epoksydowej – w celu utworzenia tak zwanego kompozytu z włókna węglowego. Samo pojedyncze pasmo włókna węglowego jest kruche i trudne w obróbce. Kiedy jednak tysiące włókien jest wplecionych w tkaninę lub ułożonych równolegle, a następnie osadzonych w żywicy wiążącej, powstały panel lub struktura kompozytowa staje się jednym z najmocniejszych, najsztywniejszych i najlżejszych dostępnych obecnie materiałów inżynieryjnych.

Warunki włókno węglowe i włókno węglowe odnoszą się do tego samego materiału — różnica w pisowni to po prostu amerykański angielski i brytyjski angielski. Podobnie „kompozyt z włókna węglowego” i „polimer wzmocniony włóknem węglowym” (CFRP) są często używane zamiennie w kontekście inżynieryjnym i produkcyjnym.

Z czego wykonane jest włókno węglowe?

Surowcem używanym do produkcji włókna węglowego jest tzw prekursor . Dominującym prekursorem w produkcji komercyjnej jest poliakrylonitryl (PAN) , syntetyczny polimer, który stanowi około 90–95% całego włókna węglowego produkowanego na całym świecie. Pozostała część jest wytwarzana ze smoły (pochodnej ropy naftowej lub smoły węglowej) lub, w zastosowaniach specjalnych, ze sztucznego jedwabiu.

Proces produkcyjny przekształca prekursor w włókno węglowe w ściśle kontrolowanej sekwencji etapów:

1. Stabilizacja — Włókno PAN podgrzewa się w powietrzu w temperaturze 200–300°C w celu utlenienia i ustabilizowania jego struktury, zapobiegając jego stopieniu w kolejnym etapie.
2. Karbonizacja — Stabilizowane włókno jest podgrzewane do temperatury 1000–1500°C w obojętnej (beztlenowej) atmosferze, co usuwa większość atomów innych niż węgiel i pozostawia włókno składające się w ponad 90% z węgla.
3. Grafityzacja (opcjonalnie) — W przypadku gatunków o bardzo wysokim module sprężystości włókna są podgrzewane dalej do 2500–3000°C w celu zwiększenia krystaliczności i sztywności kosztem pewnej wytrzymałości na rozciąganie.
4. Obróbka powierzchni i wymiarowanie — Włókna są poddawane obróbce powierzchniowej w celu poprawy wiązania z żywicami matrycowymi, a następnie pokrywane cienką powłoką ochronną (zaklejaniem) przed nawinięciem na szpule do transportu.

Ten energochłonny proces produkcyjny jest jednym z powodów, dla których surowce z włókna węglowego charakteryzują się znaczną wyższą ceną w porównaniu z tradycyjnymi metalami. Łańcuch surowców włókna węglowego — od monomeru akrylonitrylu, przez włókno PAN po gotowy kabel włókna węglowego — obejmuje wiele etapów przetwarzania chemicznego, zanim włókno dotrze do producenta kompozytu.

Skąd pochodzi włókno węglowe?

Globalna produkcja włókien węglowych koncentruje się wśród niewielkiej liczby głównych producentów. Japonia historycznie dominowała w branży, m.in Przemysł Toray będąc największym producentem na świecie, obok Teijin i Mitsubishi Chemical. Znaczące moce produkcyjne istnieją także w Stanach Zjednoczonych (Hexcel, Solvay) i Niemczech (SGL Carbon). Od połowy 2010 roku chińska produkcja krajowa szybko rośnie, a producenci tacy jak Zhongfu Shenying i Guangwei Composites wyrastają na głównych światowych dostawców.

Skład chemiczny surowca sięga dalej: akrylonitryl — monomer używany do produkcji PAN — pochodzi z propylenu pochodzącego z rafinacji ropy naftowej lub przetwarzania gazu ziemnego. Chociaż włókno węglowe samo w sobie jest materiałem zaawansowanym technologicznie, jego korzenie sięgają konwencjonalnej chemii węglowodorów. Włókno węglowe na bazie paku uzyskuje się bezpośrednio z produktów ubocznych rafinacji ropy naftowej lub smoły węglowej, co czyni je dalszym produktem przetwarzania paliw kopalnych.

Bioprekursory (takie jak alternatywy PAN pochodzące z ligniny) są aktywnym obszarem badań, ale od połowy 2020 r. PAN pochodzący z ropy naftowej pozostaje w dużej mierze stiardem komercyjnym.

Rodzaje włókna węglowego: gatunki i klasyfikacje

Nie każde włókno węglowe jest takie samo. Istnieje kilka sposobów klasyfikacji różnych rodzajów włókna węglowego, najpowszechniejszym jest stopień mechaniczny i by prekursor type .

Klasyfikacja według gatunku mechanicznego

Klasyfikacja według typu prekursora

• Włókno węglowe na bazie PAN — Standard branżowy; najlepsza równowaga wytrzymałości na rozciąganie i modułu. Stosowany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, sportowym i energetyce wiatrowej.
• Włókno węglowe na bazie paku — Produkowany z paku naftowego lub smoły węglowej; łatwiej osiąga bardzo wysokie wartości modułu i zapewnia doskonałą przewodność cieplną i elektryczną. Preferowane w zastosowaniach związanych z zarządzaniem przestrzenią i ciepłem.
• Włókno węglowe na bazie sztucznego jedwabiu — wczesna metoda produkcji, obecnie w dużej mierze przestarzała w zastosowaniach konstrukcyjnych; nadal używany w niektórych specjalistycznych kontekstach ablacyjnych i izolacyjnych.

Oprócz tych typów rdzenia włókna węglowe są również klasyfikowane według formatu włókien: ciągłe holowanie (wiązki tysięcy równoległych włókien, oznaczone jako 1K, 3K, 6K, 12K, 24K lub 48K w zależności od liczby włókien), tkana tkanina (o splocie płóciennym, diagonalnym, satynowym) oraz posiekane lub zmielone włókno do stosowania w kompozytach formowanych wtryskowo.

Właściwości materiału włókna węglowego: jak twarde i mocne jest?

Pytanie „jak twarde jest włókno węglowe” wymaga rozróżnienia twardość i sztywność — dwie właściwości, które często są mylone. Twardość odnosi się do odporności na zarysowania lub wgniecenia powierzchni; sztywność (moduł) odnosi się do odporności na odkształcenia pod obciążeniem. Włókno węglowe charakteryzuje się wysoką sztywnością, ale nie jest szczególnie twarde w konwencjonalnym sensie – powierzchnię żywicy kompozytu CFRP można stosunkowo łatwo zarysować w porównaniu z hartowaną stalą lub ceramiką.

Definiujące właściwości materiałowe włókna węglowego, które czynią go tak cennym, to:

• Niezwykle wysoka sztywność właściwa — Włókno węglowe o standardowym module ma moduł sprężystości przy rozciąganiu ~230 GPa. Stal konstrukcyjna ma temperaturę ~200 GPa. Włókno węglowe osiąga to przy gęstości zaledwie ~1,8 g/cm3 w porównaniu do stali wynoszącej 7,85 g/cm3, co daje stosunek sztywności do masy około czterokrotnie wyższy niż w przypadku stali.
• Bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie — Włókna węglowe mogą osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie 3500–7 000 MPa w zależności od gatunku, w porównaniu z około 400–550 MPa w przypadku stali konstrukcyjnej.
• Niska gęstość — Przy 1,6–1,9 g/cm3 konstrukcje kompozytowe z włókna węglowego są w przybliżeniu o 70–75% lżejsze niż równoważne części stalowe.
• Rozszerzalność cieplna bliska zeru — Włókno węglowe ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE), dzięki czemu jest stabilne wymiarowo w szerokim zakresie temperatur, co ma kluczowe znaczenie w przemyśle lotniczym i optyce precyzyjnej.
• Przewodność elektryczna — W przeciwieństwie do włókna szklanego, włókno węglowe przewodzi prąd elektryczny, co jest zarówno zaletą (ekranowanie EMI, ochrona przed uderzeniem pioruna), jak i względami konstrukcyjnymi (korozja galwaniczna z metalami).
• Odporność chemiczna — Kompozyty z włókna węglowego są odporne na większość kwasów, rozpuszczalników i degradację środowiskową, chociaż ekspozycja na promieniowanie UV może z czasem spowodować degradację matrycy żywicy bez powłok ochronnych.

Główne ograniczenie jest kruchość pod obciążeniem udarowym. Włókno węglowe nie odkształca się plastycznie przed uszkodzeniem tak jak metale — pęka nagle, co ma wpływ na konstrukcję konstrukcji zderzeniowej i tolerancję uszkodzeń w zastosowaniach inżynieryjnych.

Czy włókno węglowe jest kompozytem? Jakim materiałem jest dokładnie włókno węglowe?

Tak — polimer wzmocniony włóknem węglowym (CFRP) jest materiałem kompozytowym. Technicznie rzecz biorąc, termin „włókno węglowe” odnosi się do samego włókna (fazy wzmocnienia), podczas gdy większość ludzi ma na myśli materiał, gdy mówi „włókno węglowe” w kontekście przemysłowym lub konsumenckim, to kompozyt utworzony przez połączenie tego włókna z żywicą matrycową. To ważne rozróżnienie:

• Włókno węglowe = czyste włókno włókniste, forma węgla
• Włókno węglowe composite = matryca z włókna węglowego (zwykle epoksydowa, poliestrowa lub PEEK) uformowana w laminat lub formowaną część

Materiał kompozytowy z definicji łączy dwa lub więcej materiałów składowych o znacząco różnych właściwościach fizycznych lub chemicznych. W kompozytach z włókna węglowego włókno zapewnia wytrzymałość na rozciąganie i sztywność, podczas gdy matryca żywiczna wiąże włókna, rozkłada obciążenia między nimi i chroni je przed szkodliwym działaniem środowiska. Żaden ze składników sam w sobie nie osiągnąłby takiej samej kombinacji właściwości jak kompozyt.

Najpopularniejszymi materiałami osnowy w materiałach kompozytowych z włókna węglowego są:

• Żywica epoksydowa — Norma dla zastosowań lotniczych i konstrukcyjnych o wysokich parametrach; doskonała przyczepność, niska zawartość pustych przestrzeni, dobre właściwości mechaniczne.
• Poliester i winyloester — Niższy koszt, stosowany w produktach morskich, budowlanych i konsumenckich, gdzie bezwzględne parametry mechaniczne są mniej krytyczne.
• Matryce termoplastyczne (PEEK, PPS, nylon) — Coraz częściej stosowane w motoryzacji i lotnictwie ze względu na lepszą odporność na uderzenia, możliwość recyklingu i krótsze czasy przetwarzania.
• Kompozyty z osnową ceramiczną (CMC) — Włókna węglowe w matrycy ceramicznej do środowisk o ekstremalnych temperaturach, takich jak gorące sekcje silników odrzutowych i pojazdy hipersoniczne.

Co jest wykonane z włókna węglowego? Kluczowe obszary zastosowań

Gama produktów wykonanych z włókna węglowego znacznie się rozszerzyła od początków przemysłu lotniczego. Obecnie kompozyty z włókna węglowego pojawiają się w różnych gałęziach przemysłu wszędzie tam, gdzie projektanci muszą zmniejszyć wagę bez utraty wydajności konstrukcyjnej:

• Lotnictwo — Panele kadłuba, poszycia skrzydeł, grodzie i konstrukcje wewnętrzne w samolotach komercyjnych (Boeing 787 i Airbus A350 składają się w przybliżeniu w 50% z CFRP).
• Motoryzacja — Panele nadwozia, elementy podwozia, wały napędowe, konstrukcje zderzeniowe i ramy siedzeń w pojazdach wyczynowych, luksusowych i coraz bardziej popularnych.
• Energia wiatrowa — Dźwignie drzewcowe w łopatach turbin wiatrowych, gdzie połączenie sztywności i lekkości bezpośrednio poprawia efektywność wychwytywania energii.
• Artykuły sportowe — Ramy rowerów, rakiety tenisowe, trzonki kijów golfowych, kije hokejowe, wiosła wiosłowe i wędki — sektor konsumencki, który jako pierwszy upowszechnił włókno węglowe.
• Medyczne — Protetyka, ortezy ortopedyczne, narzędzia chirurgiczne i sprzęt do radioterapii (włókno węglowe jest radioprzezierne, co oznacza, że przechodzą przez nie promienie rentgenowskie).
• Infrastruktura cywilna — Pomosty mostów, owijanie kolumn w celu modernizacji sejsmicznej i zbrojenie betonu (pręty zbrojeniowe z włókna węglowego nie korodują).
• Elektronika i zbiorniki ciśnieniowe — Elementy obudów laptopów i telefonów do urządzeń z najwyższej półki; butle do przechowywania sprężonego gazu i wodoru do pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi.

Globalny rynek włókien węglowych w 2023 r. wyceniono na około 5,5 miliarda dolarów i przewiduje się, że do 2030 r. będzie rósł w złożonym rocznym tempie 9–11% do 2030 r., głównie dzięki rozwojowi energetyki wiatrowej i wymogom dotyczącym lekkości pojazdów, związanym z przepisami dotyczącymi emisji.