CFRP – Carbon Fiber Reinforced Plastics – tworzywa wzmacniane włóknem węglowym. Kompozyty węglowe to niezwykle wytrzymały i bardzo lekki materiał składający się polimeru i włókien węglowych.
Co to jest kompozyt wzmocniony włóknem węglowym?
Kompozyt o osnowie epoksydowej ze wzmocnieniem z ciągłych włókien węglowych – o kącie ułożenia kolejnych warstw 0/90/±45 jest materiałem wprowadzonym do użytku w latach 70 ubiegłego wieku. Należy do najwytrzymalszych, a jednocześnie najlżejszych materiałów konstrukcyjnych (przy optymalnym wypełnieniu włóknami węglowymi typu HM – high modulus, ok. 70%). Konstrukcja z udziałem kompozytu CFRP waży tylko 1/5 tego co stal. Wytrzymałość kompozytu węglowego jest w dużym stopniu uzależniona od metody wytwarzania i precyzji procesu technologicznego.
Kompozyty z włókna węglowego: wypełnienie
Polimerowym wypełnieniem w kompozytach węglowych najczęściej jest żywica epoksydowa ale inne żywice mogą również być używane. Często w kompozytach węglowych występują dodatki takie jak włókna aramidowe (np. Kevlar, Twaron), aluminium, włókna szklane. Obecnie najbardziej wytrzymałym i zarazem najdroższym dodatkiem są węglowe nanorurki. Włókna węglowe mają najczęściej zastosowanie w branżach wysokich technologii, ale w ostatnich czasach spotykane są w przemyśle motoryzacyjnym – przy elementach do budowy pociągów, samochodów czy autobusów.
Przy zachowaniu optymalnych warunków (wykorzystanie jako półwyrobów preimpregnatów, utwardzanie w autoklawie w pod próżnią i przy dodatkowym nacisku) wytrzymałość na zginanie CFRP może wynosić ponad 1000 MPa. Wadą tego materiału jest jego kruchość (wydłużenie do pierwszego pękania przy zginaniu rzędu 1,5%). Rurki z kompozytu węglowego najczęściej wykonuje się przez nawijanie na trzpieniu (który zostaje z koniec usunięty). W innych konstrukcjach mogą być one wypełnione pianką lub aramidowym plastrem miodu, a konstrukcja ramy jest formowana w całości (przy produkcji ram rowerowych). Oprócz wysokiej ceny kompozytu węglowego (200-400 zł/kg) o wysokiej cenie rowerów z włókna węglowego decyduje fakt zainwestowania znacznych środków w opracowanie nowoczesnej technologii. W celu poprawy odporności na pękanie i zwiększenia zdolności do tłumienia drgań część włókien węglowych zastępuje się włóknami aramidowymi Kevlar.
Kij hokejowy wzmocniony CFRP.
CFRP: zastosowania
CFRP jest szeroko stosowane przy produkcji wysokiej klasy samochodów wyścigowych. Niska waga jest niezbędna do uzyskania wysokiej wydajności samochodów. Producenci Racecar opracowali również metody układana włókien węglowych w określonych kierunkach co zwiększa wytrzymałość mechaniczną. Z kompozytu wykonuje się podwozia, ramy, części karoserii a także klatki bezpieczeństwa.
Materiału stosowany jest też w budownictwie, do zwiększenia nośności konstrukcji (np. mostów), aby tolerować znacznie wyższe obciążenia, czy ruchy sejsmiczne. Wykorzystuje się go do napraw uszkodzonych struktur. Wzmacnia się belki żelbetonowe oraz betony (np. za pomocą taśm CFRP).
Kompozyt znalazł zastosowanie w artykułach sportowych takich jak rowery wyścigowe. Rama z włókna węglowego waży mniej niż taka sama rama ze stali, aluminium lub tytanu. Dobrze ułożone włókno węglowe maksymalizuje sztywność i minimalizują ryzyko awarii.
Inne artykuły sportowe to rakiety, tyczki, wędki, Longboardy i wiosła . Większość hokeistów z NHL używa kijów z kompozytu CFRP. Sportowcy jak Oscar Pistorius używają protez z włókna węglowego do biegania. Materiał ten jest używany przy produkcji rakiet do squasha, tenisa i badmintona. Łucznicy wykorzystują wysokiej jakości strzały z włokna węglowego.
Producenci obuwia używają włókna węglowego jako płytek w podeszwie butów, np. dla koszykarzy, aby stopa była stabilna. Jest on używany do tworzenia całych instrumentów muzycznych a także części w różnych instrumentach, w tym łuków skrzypiec, gitar, madolin. W broni palnej może on zastąpić metal, drewno w celu zmniejszenia ogólnej masy. Lenovo, Dell oraz Sony wywarzają obudowy do laptopów korzystając z kompozytów CFRP. Włókno węglowe jest popularnym materiałem do tworzenia uchwytów noży wysokiej klasy.
CFRP mają długi cykl użytkowania, gdy są chronione przed słońcem. CFRP można rozłożyć przez termiczną depolimeryzację w środowisku beztlenowym. Można to osiągnąć w rafinerii w jednoetapowym procesie. Przechwytywanie i ponowne wykorzystanie węgla i monomerów jest możliwe. CFRP mogą być zmielone lub rozdrobnione w niskiej temperaturze w celu odzyskania z włókna węglowego, jednak proces ten skraca się znacznie włókna.
Źródło:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-fiber-reinforced_polymer | 24.06.2013
[2] http://composite.about.com/od/aboutcarbon/a/Understanding-Cfrp-Composites.htm | 24.06.2013
[3] CFRP hockey stick by CORE-Materials, flickr.com, CC BY 2.0