Co to jest włókno węglowe? Właściwości, proces produkcyjny i zastosowania

Co to jest włókno węglowe

Włókno węglowe to wysokowydajny materiał wykonany z cienkich pasm atomów węgla połączonych ze sobą w strukturę krystaliczną ułożoną równolegle do długiej osi włókna. Każde pojedyncze włókno mierzy pomiędzy Średnica 5 i 10 mikrometrów – mniej więcej jedna dziesiąta szerokości ludzkiego włosa – a mimo to materiał ten znany jest z zapewniania wyjątkowej wytrzymałości na rozciąganie i sztywności przy ułamku masy metali.

W większości zastosowań przemysłowych i komercyjnych włókno węglowe nie jest używane jako gołe włókno. Tysiące tych włókien jest wiązanych w wiązki, które następnie są tkane w tkaninę lub układane w arkusze i łączone z matrycą z żywicy polimerowej – zazwyczaj epoksydowej – w celu wytworzenia polimeru wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP). Włókno zapewnia wytrzymałość na rozciąganie i sztywność; żywica spaja włókna i przenosi obciążenia pomiędzy nimi. Powstały materiał kompozytowy przewyższa większość metali pod względem wytrzymałości do masy.

Standardowe komercyjne kable z włókna węglowego są klasyfikowane według liczby włókien: 1K (1000 włókien), 3K, 6K, 12K, 24K i większe. Hole o mniejszej liczbie są stosowane w wysokowydajnych zastosowaniach w przemyśle lotniczym i sportowym; Większe kable są stosowane w przemyśle i budownictwie, gdzie efektywność kosztowa ma większe znaczenie niż wykończenie powierzchni.

Wyjaśnienie właściwości włókna węglowego

Właściwości włókna węglowego zależą w znacznym stopniu od materiału wyjściowego i procesu produkcyjnego, ale standardowe włókno węglowe na bazie PAN (patrz poniżej) wykazuje spójny zestaw cech, które określają jego atrakcyjność:

• Wysoka wytrzymałość na rozciąganie: Włókno węglowe o standardowym module osiąga wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 3500–7 000 MPa, znacznie wyższą niż stal konstrukcyjna (zwykle 400–550 MPa).
• Wysoka sztywność (moduł sprężystości): Włókno węglowe o standardowym module sprężystości ma moduł sprężystości około 230 GPa; gatunki o bardzo wysokim module osiągają 600–900 GPa, znacznie przewyższając stal (200 GPa) i aluminium (70 GPa).
• Niska gęstość: Włókno węglowe ma gęstość około 1,75–1,85 g/cm3 w porównaniu do 7,85 g/cm3 w przypadku stali i 2,7 g/cm3 w przypadku aluminium. Kompozyty CFRP mają zazwyczaj 1,5–1,6 g/cm3.
• Stabilność termiczna: Włókno węglowe zachowuje swoje właściwości mechaniczne w temperaturach przekraczających 2000°C w atmosferze obojętnej. W środowiskach utleniających degradacja powierzchni rozpoczyna się w temperaturze powyżej 400–500°C.
• Niska rozszerzalność cieplna: Współczynnik rozszerzalności cieplnej włókna węglowego jest bliski zeru lub nieznacznie ujemny wzdłuż osi włókna, dzięki czemu CFRP jest stabilny wymiarowo w różnych zakresach temperatur – jest to kluczowa właściwość w oprzyrządowaniu lotniczym i precyzyjnym.
• Przewodność elektryczna: W przeciwieństwie do włókna szklanego, włókno węglowe przewodzi prąd. Jest to korzystne w niektórych zastosowaniach (ekranowanie EMI, ochrona przed uderzeniami pioruna), a w innych należy wziąć pod uwagę projekt (korozja galwaniczna w kontakcie z metalami takimi jak aluminium).
• Niska podatność na zmęczenie: Kompozyty CFRP wykazują doskonałą odporność na obciążenia cykliczne w porównaniu z metalami, dzięki czemu dobrze nadają się na elementy poddawane powtarzającym się naprężeniom.

Podstawowym ograniczeniem jest kruchość: włókno węglowe ma niski współczynnik odkształcenia do zniszczenia (zwykle 1,5–2%) i słabą odporność na uderzenia prostopadłe do kierunku włókna. W przeciwieństwie do metali, CFRP nie odkształca się plastycznie przed uszkodzeniem — pęka, często bez widocznych znaków ostrzegawczych na powierzchni materiału.

Jak powstaje włókno węglowe: proces produkcyjny

Produkcja włókna węglowego to wieloetapowy proces konwersji termicznej i chemicznej, który przekształca prekursor polimeru w niemal czyste włókno węglowe. Dominującym prekursorem jest poliakrylonitryl (PAN), który stanowi ponad 90% światowej produkcji włókna węglowego . Pozostała część produkcji wykorzystuje smołę (pochodną ropy naftowej lub smoły węglowej) lub, w specjalistycznych zastosowaniach, sztuczny jedwab.

Konwersja włókna prekursorowego PAN do gotowego włókna węglowego przebiega przez pięć kolejnych etapów: stabilizację, karbonizację, grafityzację (w przypadku gatunków o wysokim module sprężystości), obróbkę powierzchniową i kalibrację.

Wyjaśnienie procesu stabilizacji

Stabilizacja jest pierwszym etapem konwersji termicznej i najbardziej czasochłonnym etapem procesu. Włókno prekursorowe PAN przepuszcza się przez szereg pieców utleniających w temperaturach pomiędzy 200°C i 300°C w atmosferze powietrznej. Proces trwa od 30 do 120 minut, w zależności od rodzaju włókna i konstrukcji pieca.

Podczas stabilizacji liniowe łańcuchy polimeru w PAN ulegają cyklizacji i reakcjom sieciowania, przekształcając strukturę termoplastyczną w termicznie stabilny polimer drabinkowy. Ta zmiana strukturalna jest niezbędna: bez stabilizacji włókno stopiłoby się lub spaliłoby podczas następującego po nim etapu karbonizacji w wysokiej temperaturze. W miarę postępu stabilizacji włókno ciemnieje od białego przez złotobrązowy do czarnego. Napięcie jest utrzymywane przez cały czas, aby zapobiec kurczeniu się włókien i zachować orientację molekularną.

Wyjaśnienie procesu karbonizacji

Po stabilizacji włókno trafia do pieców do karbonizacji pracujących w temp 1000°C do 1500°C w obojętnej atmosferze azotu. W tych temperaturach atomy inne niż węgiel – głównie wodór, azot i tlen – są usuwane w postaci gazów (HCN, CO₂, H₂O, NH₃ i inne). Zawartość węgla we włóknie wzrasta z około 65% w stabilizowanym PAN do ponad 92–95% w produkcie karbonizowanym.

Etap karbonizacji zazwyczaj dzieli się na dwie strefy: strefę niskiej temperatury (do 700°C), w której uwalniana jest większość lotnych produktów ubocznych, oraz strefę wysokiej temperatury (powyżej 1000°C), w której zaczyna się rozwijać struktura grafitu turbostratycznego. Osiągnięte na tym etapie wyrównanie krystaliczne w dużej mierze determinuje końcowe właściwości mechaniczne. Karbonizację prowadzi się pod napięciem, aby utrzymać wyrównanie włókien i zmaksymalizować rozwój preferowanej orientacji krystalograficznej wzdłuż osi włókna.

Wyjaśnienie procesu grafityzacji

Grafityzacja to opcjonalny etap w wysokiej temperaturze stosowany do produkcji gatunków włókien węglowych o wysokim i bardzo wysokim module. Zwęglone włókno jest podgrzewane do temperatur pomiędzy 2500°C i 3000°C w obojętnej atmosferze argonu. W tych ekstremalnych temperaturach turbostratyczna (częściowo uporządkowana) struktura węgla reorganizuje się w bardziej uporządkowaną strukturę krystaliczną przypominającą grafit, przy czym sześciokątne płaszczyzny węgla stają się większe i lepiej dopasowane do osi włókna.

Rezultatem jest dramatyczny wzrost modułu sprężystości — z około 230 GPa dla włókien o standardowym module do 400–900 GPa dla klas o bardzo wysokim module. Jednak ten wzrost sztywności odbywa się kosztem wytrzymałości na rozciąganie i odkształcenia do zniszczenia: włókna grafitowane są sztywniejsze, ale bardziej kruche. Nie wszystkie aplikacje wymagają grafityzacji; włókna o module standardowym i pośrednim stosowane w większości zastosowań konstrukcyjnych w przemyśle lotniczym nie są grafityzowane.

Obróbka powierzchniowa włókna węglowego

Wyprodukowane włókno węglowe ma chemicznie obojętną powierzchnię, która słabo wiąże się z żywicami polimerowymi. Obróbka powierzchniowa – zazwyczaj utlenianie elektrolityczne – koryguje ten problem poprzez wprowadzenie grup funkcyjnych zawierających tlen (karboksylowych, hydroksylowych, karbonylowych) na powierzchnię włókna. W procesie tym włókno przechodzi przez kąpiel elektrolitową, podając kontrolowany prąd elektryczny.

Rezultatem jest szorstka, chemicznie aktywna powierzchnia znacznie poprawiona przyczepność do żywic epoksydowych i innych systemów żywicznych . Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe – odporność kompozytu na rozwarstwienie pomiędzy warstwami – jest podstawową właściwością poprawioną poprzez obróbkę powierzchniową. Bez tego kompozyty wykonane z włókna węglowego wykazywałyby słabą przyczepność do matrycy włókien i zmniejszone właściwości mechaniczne, szczególnie pod obciążeniem ścinającym.

Proces wymiarowania włókna węglowego

Klejenie jest ostatnim krokiem przed nawinięciem włókna na szpule lub dalszą obróbką. Cienką powłokę – zwykle 0,5–5% wagowych – środka zaklejającego (zwykle polimeru zgodnego z epoksydami) nakłada się na powierzchnię włókna z kąpieli emulsyjnej na bazie wody.

Klejenie spełnia wiele funkcji: chroni włókno przed ścieraniem podczas późniejszych operacji manipulacyjnych i tkania, wiąże włókna ze sobą w celu ułatwienia przetwarzania, a ponadto zapewnia kompatybilność z układem żywicy zastosowanym w końcowym kompozycie. Skład zaklejający jest zazwyczaj dobierany do zamierzonej żywicy — zaklejanie epoksydowe w przypadku kompozytów epoksydowych, zaklejanie kompatybilne z tworzywami termoplastycznymi w przypadku kompozytów z osnową termoplastyczną. Niedopasowany rozmiar może pogorszyć właściwości mechaniczne kompozytu poprzez zakłócanie wiązania matrycy włóknistej.

PAN kontra włókno węglowe Pitch

Dwa główne materiały będące prekursorami włókna węglowego — PAN (poliakrylonitryl) i smoła — dają włókna o odrębnych profilach właściwości, dostosowanych do różnych zastosowań.

Włókno węglowe na bazie PAN dominuje na rynku, ponieważ proces produkcyjny jest ugruntowany, zapewnia stałą jakość włókien i daje mocny, wszechstronny produkt. Włókno PAN osiąga najlepszą kombinację wytrzymałości na rozciąganie i sztywności w zastosowaniach konstrukcyjnych. Włókno PAN o standardowym module (np. gatunek Toray T300) jest koniem pociągowym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i artykułów sportowych.

Włókno węglowe na bazie paku jest wytwarzany z paku izotropowego lub mezofazowego – produktu ubocznego przetwarzania ropy naftowej lub smoły węglowej. Włókna pakowe można poddać grafityzacji w celu uzyskania bardzo wysokich modułów sprężystości (do 900 GPa) i wyjątkowej przewodności cieplnej (do 1000 W/m·K, w porównaniu z około 10 W/m·K w przypadku włókien na bazie PAN). Te właściwości sprawiają, że włókno na bazie paku jest cenne w konstrukcjach satelitarnych, elementach odprowadzających ciepło i precyzyjnych systemach optycznych, gdzie sztywność i stabilność wymiarowa w temperaturze mają większe znaczenie niż wytrzymałość na rozciąganie.

Włókno węglowe kontra włókno szklane

Włókno węglowe i włókno szklane (polimer wzmocniony włóknem szklanym, GFRP) to dwa najczęściej stosowane kompozytowe materiały wzmacniające i często są porównywane, ponieważ służą nakładającym się zastosowaniom w bardzo różnych przedziałach cenowych.

Włókno szklane ma moduł sprężystości około 70–85 GPa — mniej więcej jedna trzecia standardowego włókna węglowego. Jest znacznie mniej sztywny, co oznacza, że ​​komponenty GFRP uginają się bardziej pod równoważnymi obciążeniami. Jednakże włókno szklane ma wyższą wytrzymałość na odkształcenie do zniszczenia (około 3–4%) i lepszą odporność na uderzenia niż CFRP, a ponadto kosztuje 5 do 10 razy mniej na kilogram przy porównywalnym poziomie wydajności dla mniej wymagających zastosowań.

Włókno szklane jest również elektrycznie nieprzewodzące i przezroczyste dla częstotliwości radarowych i radiowych – dzięki właściwościom jest preferowanym wyborem do kopuł radarowych, kadłubów morskich, łopat turbin wiatrowych i konsumenckiego sprzętu do sportów wodnych. Przewodność elektryczna włókna węglowego wyklucza go z zastosowań, w których wymagana jest przezroczystość RF.

Decyzja pomiędzy włóknem węglowym a włóknem szklanym zwykle sprowadza się do wymagań dotyczących masy i sztywności w stosunku do budżetu. Tam, gdzie krytyczna jest minimalna waga i maksymalna sztywność – jak w wyczynowych sportach motorowych, konstrukcjach samolotów o wysokich osiągach i rowerach wyścigowych – włókno węglowe jest oczywistym wyborem. Tam, gdzie koszt, tolerancja na uderzenia lub przezroczystość RF mają większe znaczenie, dominującym materiałem pozostaje włókno szklane.

Włókno węglowe kontra stal

Porównanie kompozytów z włókna węglowego i stali jest najbardziej znaczące na podstawie wytrzymałości właściwej (wytrzymałości na jednostkę masy) i sztywności właściwej. Pod tymi względami CFRP znacznie przewyższa stal konstrukcyjną: włókno węglowe ma właściwa wytrzymałość na rozciąganie około 5 do 10 razy większa niż w przypadku stali i sztywność właściwą 3 do 4 razy wyższą.

W wartościach bezwzględnych stal o wysokiej wytrzymałości może osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie powyżej 2000 MPa – konkurencyjną w stosunku do niektórych gatunków włókna węglowego – ale przy gęstości ponad czterokrotnie większej. W zastosowaniach, w których ciężar ma krytyczne znaczenie, zwykle wystarcza zastąpienie elementu stalowego równoważną konstrukcją z CFRP Redukcja masy ciała o 40–60%. .

Stal zachowuje ważne zalety. Jest plastyczny — odkształca się w widoczny sposób przed pęknięciem, zapewniając ostrzeżenie i pochłanianie energii. CFRP jest kruchy i może ulec katastrofalnemu uszkodzeniu bez widocznej deformacji powierzchni. Stal jest również znacznie tańsza, łatwa do spawania i naprawy oraz dobrze znana w praktyce inżynierii konstrukcyjnej. W zastosowaniach, w których głównym czynnikiem wpływającym na projekt jest pochłanianie energii uderzenia, łatwość naprawy lub koszt, stal pozostaje trudna do zastąpienia. Zalety włókna węglowego są najbardziej jednoznaczne w zastosowaniach, w których waga bezpośrednio przekłada się na osiągi lub koszty operacyjne – w samolotach, satelitach, pojazdach o wysokich osiągach i sprzęcie sportowym wyczynowym.

Włókno węglowe w przemyśle lotniczym

Przemysł lotniczy to branża, w której połączenie wysokiego stosunku wytrzymałości do masy, sztywności, odporności zmęczeniowej i stabilności termicznej włókna węglowego zapewnia najwyraźniejszą wartość. Każdy kilogram wyeliminowany ze konstrukcji samolotu przekłada się bezpośrednio na oszczędność paliwa, ładowność lub zasięg – ekonomia faworyzuje materiały najwyższej jakości w sposób, który rzadko zdarza się w zastosowaniach naziemnych.

Boeing 787 Dreamliner, wprowadzony na rynek w 2011 roku, był pierwszym komercyjnym samolotem o konstrukcji podstawowej składającej się w większości z kompozytów: około 50% masy płatowca to CFRP łącznie z kadłubem, skrzydłami i ogonem. W porównaniu do konwencjonalnej konstrukcji, w której dominuje aluminium, model 787 osiąga o około 20% większą oszczędność paliwa. W Airbusie A350 XWB zastosowano podobną konstrukcję, w której dominują kompozyty, a CFRP stanowi około 53% masy konstrukcyjnej.

W lotnictwie wojskowym włókno węglowe jest standardem w konstrukcjach samolotów myśliwskich od czasów F-16 i F/A-18 w latach 70. i 80. XX wieku. Nowoczesne myśliwce, takie jak F-22 i F-35, wykorzystują CFRP w większości konstrukcji płatowca. Do zastosowań kosmicznych wykorzystuje się włókno węglowe w panelach konstrukcyjnych satelitów, podłożach paneli słonecznych i obudowach silników rakietowych, gdzie niezastąpione jest połączenie niskiej masy, wysokiej sztywności i bliskiej zera rozszerzalności cieplnej.

Włókno węglowe w motoryzacji

Zastosowanie włókna węglowego w motoryzacji przebiegało według jasnej trajektorii: od wyścigów Formuły 1 na początku lat 80. XX wieku, poprzez produkcję supersamochodów w latach 90. i 2000. XX wieku, aż do szerszego zastosowania w produkcji masowej w latach 2010. i później.

McLaren wprowadził do Formuły 1 pierwsze podwozie skorupowe z włókna węglowego w 1981 roku. Poprawa odporności na zderzenia była natychmiastowa i znacząca — połączenie wysokiej absorpcji energii (poprzez kontrolowaną awarię) i sztywności zapewniało kierowcy ochronę, jakiej nie mogły dorównać aluminiowe podwozia skorupowe. Obecnie każde podwozie, panel nadwozia, podłoga i skrzydło Formuły 1 są wykonane z CFRP.

W samochodach drogowych modele BMW i3 i i8 (wprowadzone na rynek w latach 2013–2014) były pierwszymi masowo produkowanymi pojazdami z ogniwami pasażerskimi z polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, produkowanymi w procesie wielkoseryjnego formowania przetłocznego żywicy. Moduł CFRP Life Module w BMW i3 ważył około 130 kg mniej niż równoważna konstrukcja stalowa , rekompensując znaczną część kary za wagę akumulatora.

Koszt pozostaje główną barierą na drodze do szerszego przyjęcia rozwiązań motoryzacyjnych. Surowiec z włókna węglowego kosztuje około 20–30 dolarów za kilogram (w przypadku gatunku standardowego), podczas gdy stal samochodowa kosztuje poniżej 1 dolara za kilogram. Czasy cykli komponentów CFRP utwardzanych w autoklawie – godziny na część – są nie do pogodzenia z produkcją na dużą skalę bez znacznych inwestycji procesowych. Formowanie tłoczne ciętego włókna węglowego i procesy poza autoklawem zmniejszają te bariery, a zawartość włókna węglowego w pojazdach średniej klasy stale rośnie.

Włókno węglowe w sprzęcie sportowym

Sprzęt sportowy był jednym z najwcześniejszych rynków komercyjnych włókien węglowych poza przemysłem lotniczym, napędzanym przez sportowców i producentów gotowych zapłacić wyższą cenę za poprawę wydajności. Użytkownik ma bezpośredni wpływ na stosunek sztywności do masy materiału w sposób trudny do osiągnięcia w przypadku jakiegokolwiek alternatywnego materiału.

W kolarstwie wyczynowym ramy z włókna węglowego dominują w zawodowym peletonie od lat 90-tych. Najwyższej klasy rama do wyścigów szosowych waży teraz mniej 700 gramów — w porównaniu do 1,2–1,5 kg w przypadku odpowiedników aluminiowych — zapewniając jednocześnie doskonałą sztywność w przenoszeniu mocy i możliwość regulacji podatności w określonych kierunkach dla wygody kierowcy. Koła, kierownica, sztyce i korby z włókna węglowego jeszcze bardziej zmniejszają masę.

W tenisie ramy rakiet z włókna węglowego zapewniają wyższą sztywność w przekazywaniu mocy przy niższej wadze niż aluminiowe lub kompozytowe alternatywy. Wały golfowe z włókna węglowego zapewniają bardziej spójne profile elastyczności i lepsze tłumienie drgań niż wałki stalowe, jednocześnie zmniejszając wagę kierowcy. W wioślarstwie wiosła i muszle z włókna węglowego zastąpiły sprzęt drewniany i z włókna szklanego na elitarnym poziomie.

Włókno węglowe ma również kluczowe znaczenie w protetyce i adaptacyjnym sprzęcie sportowym. Łopatka do biegania Össur Cheetah — proteza z włókna węglowego używana przez sprinterów paraolimpijskich — wykorzystuje magazynowanie energii sprężystej materiału, aby odtworzyć funkcję ścięgna Achillesa, umożliwiając sprint z prędkością porównywalną z szybkością pełnosprawnych sportowców. Ostrze magazynuje energię podczas uderzenia stopy i uwalnia ją podczas odbicia palców, a jest to funkcja wymagająca precyzyjnego połączenia sztywności, elastyczności i wytrzymałości, jakie zapewniają wyjątkowe kompozyty z włókna węglowego.